Определение оптимальных конструктивных параметров отвала бульдозера

Введение. В Казахстане в настоящее время осуществляется большой объем земляных работ, что приводит к увеличению востребованности землеройно-транспортных машин (ЗТМ), в частности бульдозеров разных типов. В различных отраслях промышленности и объектах строительства эксплуатируется и постоянно обновляется парк ЗТМ зарубежного производства, в том числе стран СНГ (Россия, Белоруссия, Украина и т.д.) в разных типоразмерах. Так, на строительных объектах, в том числе на строительстве автомобильных и железных дорог, широко эксплуатируются бульдозеры производства фирм: корпорация Caterpillar типа Cat (США), компания Liebheer (Германия), компания Xuanhua Construction machinery Co, Ltd (HBXG), ZoomLion и Shehwa (КНР); бульдозеры «ЧТЗ-УралТРАК» (Россия).

Строительство автомобильных и железных дорог протяженностью несколько тысяч километров невозможно представить без участия универсального бульдозера. Одним из основных узлов бульдозера является рабочий орган.

Производительность и энергоемкость бульдозера во многом зависят от того, какого типа форма отвала на нем установлена. Емкость (максимальный объем призмы волочения грунта) – одна из основных характеристик, определяющая высоту и ширину отвала, причем большинство производителей предлагают надставки (козырьки), позволяющие увеличить высоту отвала.

Увеличение высоты отвала позволяет перемещать больше материала и уменьшает пересыпания через верхнюю часть отвала. С другой стороны, увеличение объема призмы волочения по ширине отвала устанавливают боковые щеки, которые придают отвалу форму ковша (трапециевидная). Они не дают перемещающемуся грунту высыпаться по бокам отвала (боковые валики), тем самым увеличивается объем данного материала. Однако чрезмерное увеличение емкости отвала потребует при работе дополнительных затрат мощности базового трактора, который вызывает увеличение нагрузки на узлы машины и ускоряет интенсивность их износа, особенно когда бульдозер перемещается вверх по уклону. Объем перемещаемого отвалом материала за один проход зависит от возможности изменения угла отвала относительно вертикальной и горизонтальной плоскостей. В современных конструкциях отвалов положение угла наклона регулируется четырьмя или шестью положениями, в зависимости от категорий разрабатываемого грунта.

Целью исследования является оптимизация геометрических параметров и установление трапециевидной формы отвала с учетом взаимодействия его лобовой поверхности с сформированным объемом максимальной призмы волочения грунта в статическом процессе работы бульдозера.

Материалы и методы. В качестве материалов применялись разрабатываемый грунт и отвал бульдозера, исследовался статический процесс их взаимодействия при максимальном формировании призмы волочении грунта перед отвалом с использованием методов исследования графоаналитическим и математическим способом вычисления.

Результаты. Графоаналитическим и математическим вычислением оптимизирован процесс взаимодействия отвала с грунтом, определены максимальные (предельно-допустимые) параметры отвала с учетом тягового усилия трактора и категории разрабатываемого грунта.

Обсуждение и заключение. До настоящего времени геометрические формы перспективных конструкций отвала бульдозера устанавливали в основном опытно-экспериментальным путем, без учета контакта площади отвала с грунтом. Не разработаны методики определения рациональной формы отвала, тем более теоретически обоснованные оптимальные параметры рабочего органа, с учетом касания площади продольного сечения грунта с лобовой поверхности отвала. Не разрабатывались методики определения оптимальных (адаптированных) форм и геометрических параметров рабочего органа, с учетом контакта лобовой поверхности отвала с максимальным объемом призмы волочения. Нами предложены методики расчета оптимальных параметров перспективной конструкции отвала, адаптированного разрабатываемому грунту:

– определены рациональные геометрические формы как в лобовом, так и в поперечном сечении отвала;

– представлены математические формулы для определения оптимальных параметров новой конструкции отвала, а именно: высота отвала и козырька; ширина отвала, козырька и дополнительного ножа-уширителя;

– определены: периметр отвала, ширина и высота бокового валика при формировании максимальной призмы волочения грунта перед отвалом.

1. Balovnev V. I., Hmara L. A. Intensifikacija razrabotki gruntov v dorozhnom stroitel’stve [Intensification of soil development in road construction]. Moscow: Transport, 1993. 384 p.

2. Kabashev R. A. Dorozhnye i stroitel’nye mashiny: abrazivnyj iznos rabochih organov zemlerojnyh mashin [Road and construction machines: abrasive wear of working bodies of earthmoving machines]. Almaty: Ғalym, 1997. 434 p.

3. Fedorov D. I. Rabochie organy zemlerojnyh mashin [Working bodies of earthmoving machines]. Moscow, Mashinostroenie,1977. 288 p.

4. Hmara L. A. Basij V. V., Derevjanchuk M. I., Maksjuk Ju. A. Issledovanie nakopitel’noj sposobnosti otvala bul’dozera s bokovymi ogranichivajushhimi jelementami [Study of the accumulative ability of the blade of a bulldozer with lateral limiting elements]. Vestnik Har’kovskogo nacional’nogo avtomobil’nogo dorozhnogo universiteta. 2005; 2: 80–84.

5. Turgumbaev S. Dzh., Kabashev R. A. Rezul’taty jeksperimental’nyh issledovanij processa kopanija gruntov modernizirovannym rabochim organom pod gidrostaticheskim davleniem [Results of experimental studies of the process of digging soils by a modernized working body under hydrostatic pressure]. Vestnik SibADI. 2017; 2 (54): 36–42.

6. Krasnonosov A. Ju. Matematicheskoe modelirovanie vzaimosvjazi parametrov rabochego oborudovanija i jenergoemkosti kopanija grunta [Mathematical modeling of the relationship between the parameters of working equipment and the energy intensity of digging]. Engineering & Technologies. 2014; 6: 585–686.

7. Демиденко А. И., Гатыч К. Ю. Расчет усилий копания рабочим оборудованием бульдозера // Вестник СибАДИ, выпуск 2 (54). 2017. Омск: СибА-ДИ. 2017. С.17–22.

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

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

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

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

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

13. Kayim T. T., Golubeva T. V., Kaiymov S. T. Mathematical and computer modeling of movement of the execute mechanism of the adaptive multipurpose operating part of earth–moving and construction machine // International journal of electrical, electronics and data Communication, ISSN: 2320-2084 Volume-3, Issue-11, Nov.-2015. Page 25-28.

14. Сурашов Н. Т. Научные основы создания перспективных рабочих органов землеройно-транспортных машин. Алматы: КазГАСА. 2004. 263 с.

15. Хмара Л. А., Спильник М. А. Повышение эффективности рабочего процесса ковша скрепера (копание и выгрузка грунта) // Вестник СибАДИ. 2013. № 5 (33). 2013. С.30–39.

16. Jarosław Selech, Dariusz Ulbrich. 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.

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

18. 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.

19. Сурашов Н. Т., Асматулаев Б. А., Толымбек Д. Н. Определение рациональной формы отвала бульдозера с учетом грунтового фона республики Казахстан // Вестник СибАДИ. Том 18, № 6. 2021. Омск: СибАДИ. 2021. С. 662–677. DOI: https://doi.org/10.26518/2071-7296-2021-18-6-662-677.