Определение рациональной формы отвала бульдозера с учетом грунтового фона Республики Казахстан

Введение. Производительность и эффективность работы землеройно-транспортных машин отвального типа зависит от характера и физико-механических свойств грунтов – прочности, связности, влажности, уплотнённости, климатического условия и от региона Республики Казахстан. По данным профессора Р.А. Кабашева, регионы Казахстана в основном имеют глинистые, песчаные, суглинистые, песчано-гравийные, крупнообломочные, полускальные и скальные грунты. Для разработки данных категорий грунтов необходимы различные конструкции и формы режущих ножей, соответственно и отвалов, позволяющих минимизировать сопротивление резания и копания грунтов. Совершенствование конструкций ножей и отвалов приводит к повышению производительности и энергоемкости, эффективно используется тяговый фактор бульдозера.
При изучении и анализе литературных источников ученые СНГ и зарубежных стран пришли к выводу, что обоснованно созданы теории взаимодействия рабочих органов землеройно-транспортных машин с грунтами, характерными для средней полосы России и Украины, которые отличаются некоторой связью между частицами II, III категорий прочности грунта. Механизмы взаимодействия таких грунтов с бульдозерным оборудованием отличаются процессами, протекающими при копании несвязанных и плотных суглинистых грунтов, характерных для Казахстана.
Материал данной статьи представляет установление рациональных форм отвала и определение оптимальных его параметров в зависимости от категории разрабатываемого грунта, то есть создание адаптирующего рабочего органа бульдозера, соответствующего его профилю с естественной траекторией стружкообразования пласта грунта.
Материалы и методы. В качестве материалов использовались разные категории грунтов, широко распространенных в регионе Казахстана, и новые конструкции отвала бульдозера, оснащенные разнообразными комплектами ножей, то есть обычные прямолинейные ножи – для планировочных работ и разработки I-III категорий грунтов; с выступающими средними ножами – для разработки плотных IV-V категорий или со ступенчатыми ножами – для разработки твердых, прочных грунтов. Был исследован процесс их взаимодействия при максимальном формировании призмы волочения грунта перед отвалом с использованием графоаналитического метода исследования.
Результаты. При изучении процессов взаимодействия рабочего органа и ножей бульдозера с разными категориями грунтов установлены рациональные конструкции ножей, предназначенных для разработки различных категорий грунтов.
Определены оптимальные параметры отвала при максимальном наборе призмы волочения перед отвалом. Также отвал оснащен боковыми уширителями ножей, верхними козырьками и боковыми скосами. Радиус кривизны отвала в поперечном сечении соответствует естественному углу стружкообразования пласта грунта, позволяющему уменьшить сопротивление копания грунта.
Обсуждение и заключение. До настоящего времени ученые СНГ и зарубежных стран в области рабочего органа землеройно-транспортных машин отвального типа подробно изучали в теоретическом плане и экспериментальным путем установили перспективные конструкции рабочего органа и установленные на нем ножи бульдозера. Предложены многочисленные методики определения параметров рабочего органа бульдозера в зависимости от категории разрабатываемого грунта и с учетом тягового фактора движителя. Однако ими было упущено исследование при максимальном наборе призмы волочения грунта перед отвалом, его площадь касания с лобовой поверхностью отвала и одновременно адаптированного в поперечном сечении отвала с естественной траекторией стружкообразования пласта грунта. Учитывая эти положения, нами были разработаны несколько вариантов расположения ножей на отвале с учетом разрабатываемых категорий грунтов:
– бульдозерный отвал с боковыми скосами лобовой поверхности для мягких или песчаных грунтов;
– бульдозерный отвал с выступающим средним ножом, боковыми косынками и верхними боковыми скосами для разработки прочных и глинистых грунтов;
– бульдозерный отвал с боковыми скосами и боковыми ножами-уширителями для разработки разрыхленных грунтов;
– бульдозерный отвал с выступающим средним ножом, боковыми косынками, боковыми ножами-уширителями и верхними скосами для разработки плотно-прочных грунтов или суглинков средних.
На все эти четыре вида конструкции отвала и расположение ножей рекомендованы определения оптимальных параметров отвала с учетом разработки различных категорий грунтов.

1. Хмара Л.А., Басий В.В., Деревянчук М.И., Максюк Ю.А. Исследование накопительной способности отвала бульдозера с боковыми ограничивающими элементами // Вестник Харьковского национального автомобильного дорожного университета. 2005. № 2. С.80–84.

2. Хмара Л.А. Анализ главных направлений совершенствования рабочего оборудования бульдозеров // Строительные и дорожные машины. 2005. № 2. С.8–14.

3. Баловнев В.И., Бакатин Ю.П., Кустарев Г.В. [и др.] Машины для строительства и работ в жилищно-коммунальном хозяйстве города и поселка // Строительные и дорожные машины. 1992. № 1.

4. Тургумбаев С. Дж., Кабашев Р.А. Результаты экспериментальных исследований процесса копания грунтов модернизированным рабочим органом под гидростатическим давлением // Вестник СибАДИ. № 2 (54). 2017. С.36–42.

5. Щербаков B.C., Колякин В.И., Беляев В.В. Влияние геометрических параметров ЗТМ на процесс заглубления рабочего органа // Гидропривод и системы управления строительных и дорожных машин. 1989. С. 58– 61.

6. Кабашев Р.А., Сурашов Н.Т., Гудович М.И. Анализ и оценка перспективных конструкций рабочих органов землеройно-транспортных машин // Механизация и автоматизация земляных 1991. С. 24– 27.

7. Жаворонков А.В. Развитие землеройно-транспортной и дорожной техники // Строительные и дорожные машины. 2001. № 8. С. 13– 15.

8. Гутин И.М. Предложения по определению дальности транспортировки горной массы бульдозерами // Колыма. 1969. № 7. С.14–17.

9. Jarosław Selech, Dariusz Ulbrich. A working design of a bulldozer blade as additional equipment of a compaction drum roller // Poznan University of Technology / Institute of Machines and Motor Vehicles, 60-965 Marii Sklodowskiej.-Curie sq. 5. Poland. -Poznan,2019.

10. Y.Franco, D.Rubinstein, I.Shmulevich. Prediction of soil-bulldozer blade interaction using discrete element method // American society of agricultural and biological engineers. / World Sciencific.- Michigan.www.asabe.org,2012.

11. Sang-Ho Kim, Yong-Seok Lee. Development of bulldozer sensor system for estimating the position of blade cutting edge // Automation in construction. - Seul, volume 106, October 2019.

12. Choosing The Right Dozer Blade February 11, 2015 / © 2021 Highlands Publications, Inc. All Rights Reserved // https://mcsmag.com/choosingright-dozer-blade/

13. Бакулин А.В., Харкун Б.И., Уткин В.И. Особенности процесса копания грунта скреперным ковшом с криволинейным днищем // Строительные и дорожные машины. 1991. № 11. С. 6–9.

14. Лесковец И.В. История и перспективы развития землеройного оборудования отвального типа // Вестник Белорусско-Российского университета. 2011. № 3 (32). С.64–70.

15. Красноносов А.Ю. Математическое моделирование взаимосвязи параметров рабочего оборудования и энергоемкости копания грунта // Журнал Сибирского федерального университета. 2014. № 6. С.685–688.

16. Хмара Л.А. Научное сопровождение строительных и дорожных машин: исследование, расчет, создание, выбор, использование // Вестник Приднепровской государственной академии строительства и архитектуры. 2010. № 7. С.17– 33.

17. Демиденко А.И., Гатыч К.Ю. Расчет усилий копания рабочим оборудованием бульдозера // Вестник СибАДИ. 2017. № 2 (54). С.17–22.

18. Розенфельд Н.В., Доля Ю.А. Нагрузки, действующие на бульдозер при транспортировке грунта // Вестник ХНАДУ. 2014. № 65–66. С. 231– 234.

19. Завьялов А.М., Черняк С.С. Проектирование оптимальных режимов заглубления режущего инструмента бульдозера в грунт // Вестник СибАДИ. 2009. № 1 (11). С. 53–60.

20. Берестов Е.И., Лесковец И.В. Методика расчета геометрических параметров призмы волочения на отвале бульдозера // Вестник Белорусско-Российского университета. № 2(23). 2009. С.6–13.

21. Лесковец И.В., Берестов Е.И., Смоляр А.П. Влияние параметров профиля отвала бульдозера на величины сил сопротивлению копанию // Вестник Белорусско-Российского университета. 2015. № 2 (47). С.12–22.

22. Щербаков В.С., Галдин В.Н. Основные показатели гидравлических импульсных систем строительных машин // Вестник СибАДИ. 2013. № 1 (29). С. 47–51.