Бульдозер

1. Задание

 

Спроектировать бульдозер - рыхлитель с поворотным отвалом.

Бульдозеры – рыхлители  с поворотным отвалом является примером высокой унификации строительных и  дорожных машин.

Строительные площадки или полосы  должны быть подготовлены для развертывания на них строительных работ. Поэтому вначале проводятся так называемые подготовительные работы: корчуются пни, производится очистка площадки или полосы от кустарника, удаляются валуны и т.п. Если в дальнейшем намечается разработка грунтов замлеройно - транспортными машинами, то часто производится их предварительное рыхление.

Рыхлители предназначены  для рыхления грунтов на больших  площадях и полосах. Они применяются так же для удаления из грунта крупных камней, взламывания старых дорожных одежд, мёрзлого грунта и т.д.

Бульдозеры предназначены  для копания груза и перемещения  его на небольшие расстояния – 50-100 м. Они применяются для возведения невысоких насыпей, разработки выемок, выравнивания рельефа местности, разравнивания грунта и всевозможных сыпучих материалов, засыпки рвов и траншей, планировочных работ и т.д.

Отвал бульдозера относится  к числу сменного навесного оборудования.

 

2. Реферат

 

Данный бульдозер – рыхлитель с поворотным отвалом проектируется методом оптимального проектирования. В работе используются следующие приложения: Mathsoft Apps – MathCAD 13; Аскон – Компас.

Область применения –  дорожное и строительное хозяйство.

Некоторые расчёты выполнены  в программах трёхмерного проектирования, в таких случаях представляются снимки редакторов с полученными результатами.

- количество страниц  – 

- ключевые слова: рыхлитель, отвал, бульдозер.

 

3. Введение

 

Строительные и дорожные машины (СДМ) предназначены для выполнения работ и создания строительной продукции заданного качества, регламентируемого определенными нормами или техническими условиями.

Создание строительно-дорожных машин - процесс творческий, требующий глубоких знаний, практических навыков и интуиции. Разработать эффективную конструкцию машины возможно тогда, когда в процессе анализа найденных компромиссных вариантов разработчик преодолеет целый ряд противоречивых требований. Так, например, конструкция должна быть прочной и одновременно легкой, иметь малый вес и обладать высокой надежностью, долговечностью. Сконструированная машина должна быть технологичной, а эксплуатационные расходы в процессе ее работы должны сводиться к минимуму и т. п.

Совершенство машины, ее надежность, а также механические, энергетические, прочностные и другие характеристики закладываются на этапе конструирования. Таким образом, от принятия правильных конструкторских решений во многом зависят качество  работы и конкурентоспособность создаваемого механического оборудования. Этот факт заставляет при выполнении проекта использовать новейшие достижения практики конструирования, современные компьютерные средства, пакеты прикладных программ. 

 

 

 

4. Принцип работы машины

 

 

Рисунок 1 – Схема принципа работы машины

 

Машина предназначена  для проведения подготовительных и  землеройно – транспортных работ при строительных и дорожных работах. Машина включает в себя базовый трактор (Т-130), а также навесное оборудование: поворотный отвал и рыхлитель.

 

5. Определение параметров привода

• Параметры отвала поворотного

Примем: рабочая длина поворотного отвала будет равна 3500 мм, а значение высоты отвала 1200мм.

Материал отвала: сталь легированная 13Х14Н3В2ФР (ρ=7800кг/м³; σ_т=735кг/см²).

 

Рисунок 2 – Бульдозерное оборудование с поворотным отвалом

 

 

 

 

 

 

Вычисление параметров шнека:

Основными параметрами  отвала являются:

• угол резания δ, который у существующих машин находится в пределах 40- 75˚;
• угол опрокидывания ψ=30÷80˚;
• угол наклона ε₀=30÷80˚;
• угол установки козырька β_к;
• радиус кривизны отвальной поверхности R;
• высота отвала В;
• высота отвала с козырьком В_к;
• длина прямой части отвальной поверхности а;
• длина отвала L.

 

Рисунок 3 – Расчётная схема  отвала

поворотного

 

 

 

 

 

Параметры отвала оказывают  значительное влияние на сопротивление грунта копанию и волочению. При правильно выбранных параметрах сформированная при вырезании стружка грунта должна двигаться вверх по поверхности отвала и обрушиваться по направлению его движения, т.е. вперёд.

Сопротивления, связанные  с отделением грунта от массива, снижаются с уменьшением угла резания, однако при этом возрастает сила, необходимая на заглубление отвала в грунт. Для формирования стружки грунта

Необходимо иметь какую-то минимальную призму волочения, поэтому на этот процесс влияет длина прямой части отвальной поверхности а. Обычно величина а выбирается равной высоте ножа.

На сопротивление грунта подъёму оказывает влияние радиус кривизны овальной поверхности R. Чтобы сопротивление подъёму было минимальным, этот радиус должен быть переменным. Однако, ввиду трудностей изготовления такого отвала, его обычно выполняют по дуге окружности радиуса R ≈ В.

В результате проведённых исследований для бульдозеров общего назначения рекомендуется брать угол резания δ= 55˚, угол опрокидывания ψ= 75˚ и угол наклона ε₀₌ 75˚.

Для полного использования  мощности базовой машины высоту отвала В следует выбирать в зависимости от номинальной силы тяги Т бульдозера и вида грунта. Номинальное тяговое усилие можно определить по формуле

Т = G φ_сц, (кг),

где G – вес бульдозера в кг;

φ_{сц –} коэффициент сцепления (для гусеничных машин – 0.6)

Т = 16350 · 0,6 = 9810 (кг)

Козырёк предохраняет грунт от пересыпания его через отвал. Его высота Нк может быть принята (0.1÷0,2) В.

Нк = 0.2 · 1000 = 200 (мм)

Необходимая для работы бульдозера сила тяги расходуется на преодоление  следующих сопротивлений грунта: резанию резанию W₁; перемещение его как вверх по отвалу W₂ , так и перед отвалом W₃ . Так же необходимо учесть сопротивление, возникающее от перемещения грунта вдоль отвала, т.е. в сторонуW₄.

W₁=k₀Lh sinφ (кг),

k₀ – удельное сопротивление грунта лобовому резанию, кг/м³

L – длина отвала, м

h – толщина стружки, м

             φ – угол захвата, ˚

             W₁ = 1.5 · 3.5 · 0,1 · sin 75˚ = 0.507 (кг)

W₂=G_прf₁cos²δ sinφ (кг),

G_пр – вес грунта в призме волочения, (кг)

f₁ – коэффициент трения грунта о сталь, (0.5-0.6)

δ – угол резания, ˚

G_{пр =} V_пр δ₀, (кг)

V_пр – объём призмы волочения в м³;

δ₀ – объемный вес грунта, (1400-1600)кг/м³

V_пр = (LH²/2) · k_пр, (м³)

V_пр =1.4 (м³)

G_{пр =} 1.4 · 1400 = 1960 (кг)

W₂=1960 · 0.55 cos²55˚ sin75˚ = 342,5 (кг),

W₃= G_пр · f₂, (кг)

f₂ – коэффициент трения грунта о грунт (0.8-1.0)

W₃= 1960 · 0.8 = 1568 (кг)

W₄= G_пр · f₁· f₂· cosφ, (кг)

W₄= 1960 · 0.55· 0.8 · cos75˚ = 223,2 (кг)

Кроме этих сопротивлений возникает ещё сопротивление от перемещения бульдозера как тележки, которое может быть рассчитано по формуле

W₅= G(f+i), (кг)

W₅= 16350 (0.55+0.8) = 22072,5 (кг)

Максимальное сопротивление, возникающее  при работе поворотного бульдозера, будет равно

W = W₁+ W₂+ W₃+ W₄+ W₅, (кг)

W = W₁+ W₂+ W₃+ W₄+ W₅ = =0.507+342,5+1568+223,2+22072,5=24207(кг)=242,07 (кН)

Отсюда можно рассчитать мощность привода необходимую для работы механизма

При работе бульдозера по транспортированию  груза имеют место его непрерывные  потери за счет соскальзывания с краёв  отвала в боковые валики. Для сохранения заданной производительности бульдозера необходимо компенсировать эти потери постоянным заглублением отвала на величину h₁, которая может быть определена по формуле

h₁ = V_пот/L, м

V_пот – объём потерянного грунта на 1 м, м³ (3% от V_пр)

h₁ = 0,042/3.5 = 0,012 м

Для увеличения производительности во время забора грунта в забое необходимо стремиться  к полному использованию мощности двигателя. Такой режим работы бульдозера, где резание грунта производится при постоянном заглублении  отвала в грунт, не отвечают этому требованию. При рациональном режиме работы отвал вначале заглубляют на большую глубину, а затем, по мере образования призмы волочения, постепенно снижают толщину стружки.

Производительность бульдозера при резании и перемещении грунта определяется по формуле

k_в – коэффициент  использования бульдозера по времени (0,80-0,90);

k_укл – коэффициент, учитывающий влияние на производительность уклона местности; при движении под уклон k_укл = 1,3÷1,8, а при движении на уклон k_укл = 0,8÷0,5;

Т_ц – длительность цикла, сек.

Длительность цикла найдётся по формуле

 сек,

Где l_p, l₀, l_n – длина пути резания, перемещения груза и обратного хода, м;

v₁, v₀, v_n – соответствующие им скорости, м/сек;

t_с – время, затрачиваемое на переключение передачи (обычно 3–5 сек);

t₀ = 2-3 сек – время опускания отвала.

(сек)

Для расчета механизма  подъема и основных частей бульдозера на прочность, а так же для проверки его на устойчивость необходимо выявить те силы, которые воздействуют на него во время работы.

Для расчета отдельных  деталей и агрегатов бульдозерного  оборудования на прочность должны быть выявлены те максимальные усилия, которые могут возникнуть в отдельные моменты работы машины.

Вначале следует рассмотреть момент соответствующий окончанию процесса копания грунта, когда призма волочения уже сформировалась, но вместе с тем, но вместе с тем отвал уже заглублён на какую-то глубину. Этот момент соответствует наибольшему сопротивлению. Схема сил действующих на навесное оборудование в данный момент времени показано на рисунке 4.

Рисунок 4 – Схема сил действующих  на бульдозер

На отвал бульдозера действуют результирующая сил сопротивления  копания Р₀, сила веса навесного оборудования G, сила со стороны подъёма отвала, натяжения штока гидроцилиндра S и реакция в упряжном шарнире O – R.

Согласно проведённым  исследованиям:

Р₀₁=Т_р,

где Т_р – максимальное (расчетное) тяговое усилие с учетом динамического характера его приложения.

здесь G_б – вес бульдозера, кг;

φ_сц - коэффициент сцепления; φ_сц = 0,8 – 1,0;

k_д = 1,5 – коэффициент динамичности;

Проектируя все силы на горизонтальную ось, можно найти  горизонтальную составляющую реакции в напряжном шарнире О

R_x = P₀₁ + S cosθ = T_p + S cosθ;

R_y = ;

Вертикальная составляющая сил сопротивления копанию определится по формуле

P₀₂ = P₀₁tg v ≈0.3 P₀₁ кг

Наконец, сила натяжения штока гидроцилиндра S найдётся из условия равновесия системы относительно упряжного шарнира

S =

S =

Найденная S определяет такое натяжение штока, которое обеспечивает постоянное положение отвала в рабочем состоянии.

Бульдозер с гидравлическим управлением осуществляет принудительное заглубление отвала. Максимальная сила, действующая по штокам гидроцилиндров, определяется из условия опрокидывания бульдозера относительно точки В (рисунок 5)

Рисунок 5 – Схема сил, действующих  на бульдозер в начале подъема  загруженного грунтом отвала

 

Значение этой критической силы можно найти из условия равновесия системы относительно этой точки. По найденной таким образом критической силе рассчитывается система гидравлического управления, а рабочее оборудование бульдозера проверяется на прочность. Для расчета отдельных частей навесного оборудования бульдозера на прочность необходимо выбрать расчетные положения.

Основным расчетным  положением может быть принято положение  внезапного  наезда отвалом на непреодолимое  препятствие. В этом случае полное буксование машины наступает прежде её остановки. Поэтому максимальное тяговое усилие может быть определено по условию сцепления с учётом дополнительно действующих инерционных сил.

Рисунок 6 – Схема для расчёта  отвала на прочность

 

Схема для проверки на прочность отвала приведена на рисунке 6. Внешняя сила Р₀₁ приложена посередине отвала в нижней его части. Поэтому следует считать , что эта нагрузка воспринимается только очерченным на схеме нижним поясом жесткости, момент инерции и момент сопротивления которого относительно осей инерции xx и zz может быть определён графоаналитическим способом.

• Параметры рыхлителя

Для снижения сопротивления  при работе толщины стоек- зубьев должны быть минимальными – выбранными по условиям прочности. Наконечники зубьев отливаются из марганцевой стали и имеют угол заострения в пределах 20-30˚. Наконечники должны быть длинными и узкими. Конструкция крепления стоек позволяет изменять их вылет, что необходимо для получения разной глубины рыхления.

Для беспрепятственного рыхления грунта зубья должны быть удалены от гусениц трактора – тягача на расстояние, равное (1.5-2.0)Н_max – максимальной глубины рыхления.

Действующая на зуб реакция  грунта может быть разложена на горизонтальную P₀₁ и вертикальную составляющую P₀₂. Если G – общий вес машины, а R – реакция грунта, то согласно схеме (согласно рисунку 1)