Бульдозер для работы в стесненных условиях

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ИНСТИТУТ ТРАНСПОРТА

 

Кафедра: «ТТС»

 

Пояснительная записка

к курсовой работе

по дисциплине машины для земляных работ

на тему: Бульдозер для работы в стесненных условиях

 

 

 

Выполнил: студент группы СДМ-10

Панфилов Д.А.

 

 

Проверил: к.т.н., доцент кафедры ТТС

Закирзаков Г.Г.

 

 

 

 

Тюмень 2014

Содержание

Введение

1. Патентный анализ

2. Выбор базовой машины

3. Общий расчет для 2-х вариантов (до и после модернизации)

4. Расчет модернизируемого узла

5. Заключение

6. Список использованной литературы

7. Спецификации

8. Приложения (копии рассматриваемых патентов)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Выполнение больших и возрастающих с каждым годом масштабов строительства обеспечивается применением высокопроизводительных строительных и дорожных машин, комплексной механизации и автоматизации строительного производства. В настоящее время создан большой парк разнообразных строительных и дорожных машин, который систематически пополняется новыми более совершенными машинами.

Для выполнения земляных работ созданы универсальные и специализированные строительные машины - экскаваторы, скреперы, бульдозеры, грейдеры, автогрейдеры с облегченным управлением и удобными кабинами. В данной работе подробнее рассмотрим бульдозеры.

Бульдозер — землеройная машина, состоящая из базового тягача и бульдозерного (навесного) оборудования, предназначенная для резания и перемещения грунта и планировки разрабатываемой поверхности.

Бульдозеры применяют при сооружении насыпей, засыпке траншей и канав, разработке взорванных скальных грунтов, перемещении и штабелировании сыпучих материалов, подаче каменных материалов к питателям дробильных установок, очистке территорий от шлака, мусора и снега, планировке откосов и др.

Бульдозеры как навесное оборудование на тракторы, тягачи и другие базовые машины широко распространены, что объясняется простотой их конструкций, высокой производительностью, возможностью их использования в самых разнообразных грунтовых и климатических условиях и относительно низкой стоимостью выполненных работ.  

Целью данной курсовой работы является модернизация отвала бульдозера для работы в стесненных условиях на базе трактора Т-170.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Патентный анализ

1.1 Бульдозер с перекидным отвалом

Формула изобретения

Бульдозер с перекидным отвалом, включающий базовую машину, толкающие брусья, отвал с верхним и нижним ножами и гидропривод поворота толкающих брусьев, выполненный в виде двух пар гидроцилиндров, корпуса которых шарнирно соединены с базовой машиной, отличающийся тем, что на толкающих брусьях установлены фиксаторы и направляющие, в которых установлены ползуны, к цапфам которых шарнирно присоединены штоки гидроцилиндров.

 

 

Недостатками данного технического решения являются :сложной конструкции поворота толкающих брусьев, вероятность поломки фиксаторов  толкающих брусьев , не надежная работа цапф ползунов.

 

1.2 Рабочее оборудование бульдозера

Формула изобретения

Рабочее оборудование бульдозера, включающее режущий нож с коробкой жесткости, гибкий элемент, выполненный в виде упругой металлической пластины, жестко прикрепленной нижним концом к режущему ножу, коробчатый отвал, в котором установлена упругая подушка, на которую опирается металлическая пластина и толкающие брусья, отличающееся тем, что коробчатый отвал жестко связан с коробкой жесткости, составной отвал шарнирно соединен с толкающими брусьями, при этом к верхней части отвала присоединены корпуса устройств управления положением составного вала, выполненных в виде электромагнитного исполняющего устройства, состоящего из прямоходового электромагнита с втяжным якорем и смонтированного на торцевой поверхности корпуса электромагнита нормально замкнутого колодочного электромагнитного тормоза, а выдвижные элементы устройств управления положением соединены с толкающими брусьями посредством проушин.

 

 

Недостатками данного технического решения являются: отсутствие механизма автоматического изменения кривизны гибкого элемента по высоте отвала, а также невозможность изменения угла резания при разработке грунта на установленной глубине, наличие усложняющих элементов таких как прямоходовой электромагнит  с втяжным якорем.

1.3 Бульдозер с выдвижным отвалом

Бульдозер с выдвижным отвалом, включающий базовую машину, раму с гидроцилиндрами подъема-опускания, состоящую из жесткой основной секции, шарнирно соединенной с базовой машиной, и дополнительной секции, телескопически подвижной относительно основной и гидроцилиндров перемещения, отвал, соединенный с дополнительной секцией шарнирами и наклонными упорами с верхним и нижним шарнирами, отличающийся тем, что основная секция рамы выполнена шарнирно-сочлененной из двух неподвижных толкающих брусьев, поперечной связи и двух горизонтальных раскосов, дополнительная секция выполнена в виде двух подвижных толкающих брусьев прямолинейной формы, телескопически вставленных в неподвижные толкающие брусья основной секции, а гидроцилиндры перемещения секций расположены внутри неподвижных толкающих брусьев, при этом наклонные упоры выполнены в виде гидроцилиндров и установлены в одной вертикальной плоскости с шарнирами отвала, причем нижний шарнир наклонного упора закреплен на неподвижном толкающем брусе, а верхний - на выдвижном отвале.

Недостатками данного технического решения являются: малая накопительная способность отвала такого бульдозера при транспортировании грунта , наличие шарнирно-рычажных многозвенников , расположенных симметрично относительно продольной оси машины, которые сложны в устройстве, ненадежны в работе и быстро выходят из строя при больших силовых скачкообразных нагрузках и абразивной среде, характерных для работы бульдозера.

 

1.4 Рабочий орган бульдозера

Формула изобретения

Рабочий орган бульдозера, включающий отвал с лобовым листом, толкающие брусья, гидроцилиндр, очистной элемент, установленный торцевыми сторонами в боковых криволинейных направляющих, и ролики, установленные на осях, расположенных по торцам очистного элемента, отличающийся тем, что он имеет боковые балки, ползуны и дополнительно снабжен гидроцилиндром, аналогичным указанному, при этом боковые балки, оба гидроцилиндра и ползуны расположены за отвалом по бокам, к боковым балкам шарнирно закреплены штоки указанных гидроцилиндров, гидроцилиндры шарнирно закреплены к толкающим брусьям, в которых установлены ползуны в своих направляющих, ползуны шарнирно закреплены к боковым балкам, которые шарнирно закреплены через оси к очистному элементу.

 

 

 

Недостатками данного технического решения являются: наличие шарнирно-рычажных многозвенников , расположенных симметрично относительно продольной оси машины, которые сложны в устройстве, не надежная работа в процессе эксплуатации ползунов установленных  в толкающих брусьях.

 

1.5 Рабочий орган бульдозера

Формула изобретения

Бульдозер, содержащий базовый трактор и бульдозерное оборудование, включающее отвал, толкающие брусья, шарнирно соединенные одним концом с отвалом, а другим - с рамой трактора и снабженные кронштейнами, нижние концы которых закреплены на толкающих брусьях в средней их части, а верхние концы с помощью гидрораскосов соединены с верхней кромкой отвала, гидроцилиндры подъема-опускания отвала, цилиндры которых соединены с рамой трактора, а штоки соединены с отвалом, отличающийся тем, что оси шарниров, соединяющих отвал с толкающими брусьями и со штоками гидроцилиндров подъема-опускания отвала, расположены на одной прямой, при этом гидрораскосы соединены с верхней кромкой отвала с возможностью выведения последнего в горизонтальное положение и обращения вниз рабочей поверхности лобового листа для очистки от налипшего грунта.

 

Достоинства данного технического решения являются: простота и надежность конструкции крепления  отвала к толкающим брусьям бульдозера , минимальное количество шарнирных соединений, возможность выведения в горизонтальное положение отвал бульдозера  для очистки рабочей поверхности лобового листа от налипшего грунта.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Выбор базовой  машины

Основные требования к выбору базовой машины

1.Тип (малогабаритные.легкие.средние….др.)

2.Мощность

3.Тяговое усилие

4.Ремонтопригодность

5.Приспособленность к разных условиям работы(природные условия)

6.Расространненость  при земляных работах 

 

Бульдозеры классифицируются по назначению, весу и мощности, силе тяги базовой машины и типу движителя; отдельным конструктивным признакам; системе управления рабочим органам и др.

По назначению бульдозеры делятся на бульдозеры общего назначения, приспособленные для выполнения разнообразных землеройно-транспортных и строительных работ в различных грунтовых условиях, и на бульдозеры специального назначения, которые предназначаются для выполнения определенных видов работ (например, для прокладки дорог, чистки снега, сгребания торфа и т.д.).

По мощности двигателя базовых машин современные бульдозеры можно условно разделить на следующие группы (таблица 2.1).

Таблица 2.1  Классификация бульдозеров по мощности двигателя и по номинальному тяговому усилию.

Типы	N в кВт (л.с.)	Тн  в Т
Малогабаритные Легкие Средние Тяжелые Сверхтяжелые	До 15 (20) 15,5 – 60 (21 – 80) 60 – 108 (81 – 147) 110 – 220 (150 – 300) Больше 220 (больше 300)	До 2,5 2,6 –7,5 8,0 –14,5 15,0 –30,0 Больше 30

 

Для работы в стесненных условиях  анализируя таблицу 2.1 выбираем средний тип бульдозера с мощностью N (60-108) кВт или 81-147(л.с.) и Тн (8-14,5).Данными техническими характеристиками обладает бульдозер марки Т-170.

Таблица 2,2 Техническая характеристика бульдозера

Наименование показателей	Показатели
	Т – 170
Базовый трактор, Тип	гусеничный
Модель	Т – 170
Мощность двигателя	140 (180) кВт (л.с.)
Наибольшее тяговое усилие в кгс	15000
Эксплуатационная масса в кг	17300 кг
Тип рамы	внутренняя
Расположение	прямолинейное
Крепление	жесткое
Управление	гидравлическое
Габаритные размеры с базовым трактором, мм, длина	4825
ширина	3230
высота	3145

 

Проанализировав технические характеристики бульдозера Т-170 из таблицы 2.2 можно с уверенностью сказать ,что выбранный прототип  отвечает всем заданным требованиям .Так как является самой выпускаемой машиной для земляных работ , обладает высокой ремонтопригодностью, отличная маневренность, легкость в управлении машиной ,высокие эргономические показатели ,способен работать даже в самых суровых природных условиях.

 

3..Общий расчет

Расчет базовой машины(прототипа)

1.Предварительный выбор  габаритов и масс

Габаритные размеры:

ширина -3230мм

высота-1145мм

масса-17300 кг

2.Тяговый расчет

2.1 Определение  транспортных и технологических  сопротивлений

При транспортировании грунта отвалом бульдозера по горизонтальной площадке возникают сопротивления:

2.2 Wр - сопротивление резанию

2.3 Wпр – сопротивление перемещению призмы грунта перед отвалом

2.4 Wв – сопротивление перемещению грунта вверх по отвалу

2.5 Wт – сопротивление перемещению бульдозера

2.6 Wтр – сопротивление трению ножа бульдозера о грунт

2.2 Сопротивление  резанию

Wр=k٠B٠h1=150٠3.23٠0.018=9.88 кН

где k—удельное сопротивление лобовому резанию в кН/м2, k=170;

 L—ширина отвала в м;

h1—глубина резания во время перемещения призмы грунта (величина заглубления)

Величина заглубления

 h1=kп٠ Vпр/L=0,025٠2,35/3,23=0,018 м

где  kп  - коэффициент определяющий потери грунта в боковые валики на 1м пути, он зависит от свойств грунта принимаем равным 0,025 для связных грунтов.

Vпр – объем призмы волочения

Объем призмы волочения

Vпр= L٠H2/2٠kпр =3230٠11452/2٠0,90=2,35 м3

где L-ширина отвала принимаем равной 3230 мм

H-высота отвала с учетом козырька принимаем равной 1145 мм

кпр- коэффициент зависящий от характера грунта принимаем равный 0,90

2.3 Сопротивление  перемещению призмы грунта перед  отвалом

Wпр=Gпр٠µ2=41496,3٠0,5=20,74 кН

где µ2—коэффициент трения грунта по грунту  µ2=0,5;

      Gпр—вес призмы волочения (Н)

Вес призмы волочения

Gпр=Vпр ٠γг ٠g=2,35٠1800٠9,81=41496,3 Н

где γг—объемный вес грунта в плотном теле кг/м3, примем  γг=1800;

g—ускорение свободного падения, g=9,81м/с2.

2.4 Сопротивление перемещению грунта вверх по отвалу

Wв=Gпр٠cos2σ٠µ1=41496,3٠0,3289٠0,50=6,82 кН

где σ—угол резания,  принимаем равным σ=550;

µ1—коэффициент трения грунта по металлу, µ1=0,50 средний суглинок

2.5 Сопротивление  перемещению бульдозера

Wт=G*f=203٠0,15=30,45 кН

где f - коэффициент сопротивления перемещению движителей трактора, для гусеничной машины f=0,15   

G—сила тяжести бульдозера

Сила тяжести бульдозера

G=(1,17…1,28)*Gбм*g=1,20٠17300٠9,81=203 кН

где Gбм—вес базовой машины равен 17300 кг

Для бульдозеров с неповоротным отвалом суммарное сопротивление движению равно

W=Wp+Wпр+Wв+Wт =9,88+20,74+6,82+30,45=67,89 кН

2.6 Определяем  предварительную силу тяги 

Зная , что сопротивление грунта копанию преодолевается силой тяги базового тягача, можно написать неравенство

W≤Т

где Т- номинальная сила тяги бульдозера в кН

2.7 Номинальная сила тяги  бульдозера

Т=G*φ=203٠0,9=182,7 кН

где  φ—коэффициент сцепления грунта с гусеницами, φ=0,9

G—сила тяжести бульдозера равна 203 кН

2.8 Выбор  рабочей скорости перемещения бульдозера

Примем рабочую скорость из технической характеристики бульдозера

Vрабочая=1,7км/ч

2.9 Мощность на  реализацию тягового усилия

Nт=T٠Vрабочая=182,7٠1,7=310,59 кВт

Nдв= W٠ Vрабочая /η =67,89٠1,7/0,9=128,2 кВт

где ή- механический к.п.д. машины, η=0,9 ( взято из справочника конструктора дорожных машин И.П. Бородачева)

отсюда следует , что  Nдв расчетная составляет 88% от мощности базовой машины (140 кВт) , следовательно Т—170 в качестве базовой машины подходит.

3.0 Проверка правильности  выбора веса машины 

Gбаз.маш.=6,5

данное условие выполняется вес базовой машины соотвествует данному требованию.

4.Расчет эксплуатационной  производительности

4.1 Производительность бульдозера м3/час, при резании и перемещении грунта.

П=3600٠Vф٠кв٠кукл / Тц=3600٠2,08٠0,85٠1,74 /83=124,4 м3/час

технические данные взяты из учебника дорожные машины ,машины для земляных работ , автор Алексеева Т.В

где кв—коэффициент использования бульдозера по времени, принимаем  кв=0,85;

кукл—коэффициент, учитывающий влияние уклона местности на производительность бульдозера, при угле уклона (5…10) принимаем кукл=1,74;

Тц –длительность цикла в сек;

Vф—объем грунта (в плотном теле) перед отвалом (м3 )

Объем грунта

Vф=L٠H2/2٠кпр٠кр,=3,23٠1,1452/2٠0,90٠1,13=2,08 м3

где кпр—коэффициент зависящий от характера грунта , принимаем равным 0,90

кр—коэффициент разрыхления грунта, принимаем кр=1,13

Длительность цикла

Тц=lp/ν1 + ln/ν2 + (lp+ln)/ν3 +2٠tn +to +tc=

=15/0,4+8,0/1+(15+8)/2,0+2٠10+1,5+4,5=83 с

технические данные взяты из учебника дорожные машины ,машины для земляных работ , автор Алексеева Т.В.

где ln—длина пути перемещения грунта в м, принимаем ln=15 м;

lр—длина пути резания в м, принимаем  lp=8,0м;

ν1—скорость движения бульдозера при копании грунта в м/сек,

принимаем ν1=0,4;

ν2—скорость движения бульдозера при перемещении грунта в м/сек,

принимаем ν2=1;

ν3—скорость обратного холостого движения трактора в м/сек, принимаем ν3=2,0;

to—время на опускание отвала в сек, принимаем to=1,5;

tс—время на переключение передач в сек, принимаем tс=4,5;

tn—время, необходимое для разворота в сек, принимаем  tn=10.

4.2 Расчет производительность бульдозера  при планировочных работах м2/час.

 

технические данные взяты из учебника дорожные машины ,машины для земляных работ , автор Алексеева Т.В.

где n—число проходов по одному месту, принимаем n=2

ν—рабочая скорость движения трактора в м/сек , принимаем ν=0,8

l—длина планируемого участка в м, принимаем l=20 м

0,5—величина перекрытия  проходов в м

φ—угол захвата отвала. принимаем равным 450

5. Статический расчет

 Расчетная схема для определения нагрузок действующих на бульдозерное оборудование приведена на рисунке 1  

Рисунок 1 —расчетная схема для определения нагрузок действующих на бульдозерное оборудование.

На нож отвала  бульдозера в плоскости действуют  две силы, Р1 горизонтальная и Р2 вертикальная.

Горизонтальна сила

Р1=G٠φmax/(1-φmax٠ctg(σ+φ1))=203٠0,9/(1-0,9٠0,05241)=35,134кН

Вертикальная сила

Р2= Р1٠ ctg(σ+φ1)=35134,61٠0,05241=18,41 кН

где G—сила тяжести бульдозера

φmax—максимальный коэффициент сцепления движителя с грунтом, принимаем   φmax=0,9

σ—угол резания, σ=550

φ1—угол трения грунта по металлу, φ1=32.

Сила подъема отвала кН, определяются по формуле

Sр=Sy*kд=124,1٠1,35=167,5 кН

где Sy—усилие на штоках гидроцилиндров, в кН;(сила необходимая для опрокидывания трактора)

kд—коэффициент динамичности, принимаем kд=1,35.

Необходимая сила для опрокидывания трактора

Sy=( Р2*l+ Р1*m+Go*lo)/r = (18,41٠3,64+35,134,٠0,55+29,43٠3,45)/2,1 = 124,1кН

где Go—сила тяжести рабочего оборудования, Go=29,43кН;

l—линейный размер, l=3,64м (длина толкающего бруса и отвала )

lo— линейный размер, lo=3,45м (длина толкающего бруса)

m— линейный размер, m=0,55м (высота от начала гусеницы до середины толкающего бруса)

r— линейный размер примем равным r=2,1м.

Sp≤Sy

167,5≤124,1 (условия опрокидывания  не выполняется)

Следовательно модернизированный мною бульдозер устойчив при работе .

 

 

 

 

 

 

 

 

4.Расчет модернизированного  узла

Принимаем гидроцилиндр поршневой двустороннего действия

по ОСТ 22-1417-79  [2] с параметрами:

диаметр поршня	D = 140 мм
диаметр штока	d = 63 мм
максимальное расчетное усилие на штоке	215,4 кН
номинальное давление	14 МПа
ход поршня	L = 900 мм

 

Расчет на растяжение штока гидроцилиндра

 ≤[δр]

δ≤[δр]

0,27 МПа≤140МПа

где N – растягивающая  сила

F- площадь штока

Растягивающая сила равна

N=(mотвала + mналипшего грунта )٠g =(300+40)٠9,8=3332 Н

Площадь штока

Расчет на прочность  кронштейна.

Проведем расчет опасного сечения II-II кронштейна на изгиб от наибольшей силы Рц.

– Изгибающий момент в сечении:

М = Рц ∙ l;

где Рц -  максимальное расчетное усилие на штоке 215.4 кН

l-высота

М = 215400 ∙ 120 = 25848000 Н∙мм.

 Для материала 09Г2С ГОСТ 380-71 (сталь углеродистая  ) допускаемое напряжение будет:

;

= 17,14 МПа,

где σт = 240 МПа – предел текучести.

– Момент сопротивления:

= 1508051,34 мм3.

– Момент инерции:

;

= 218667445 мм4.

– В соответствии  с размерами на рисунке 3 момент инерции сечения II-II:

.

– Толщина листа стенки:

;

= 24,6 мм.

Принимаем δ = 25 мм.

Проверка сечения I-I:

– на срез:

;

= 11,3 МПа < [τ] = 90 МПа,

где F – площадь сечения без учета наваренных шайб;

– на смятие:

;

= 30,7 МПа < [σ] = 120 МПа,

где [σ] и [τ] – допускаемые напряжения .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Проверка сварного соединения

Для сварки материала марки  09Г2С  ГОСТ 380-71 применяем электроды типа ЭЧ2 ГОСТ 9467-75.

Сварку конструкции производим угловыми швами У4- 25 по ГОСТ 5264-69.

Все соединения с угловыми швами при работе на осевую продольную силу проверяют на срез:

Разложим силу F = 196,3 кН (max усилие, развиваемое гидроцилиндром) на вертикальную и горизонтальную составляющие:

Fвер = F ∙ sinα; Fвер = 199∙ sin60° = 172 кН;

Fгор = F ∙ cosα; Fгор = 199 ∙ cos60° = 99 кН.

– Перенесем силы Fвер и Fгор в центр стыка сварных швов и добавим момент:

М = Fгор ∙ ;

М = 99 ∙ 103 ∙ 120 = 11880000 Н∙мм.

Определяем напряжения в сварных швах от силы Fверт:

;

= 20,4 МПа,

где К = δ = 25 мм – катет шва;

Lш – длина сварного шва.

Определяем напряжения в сварных швах от силы Fгор:

;

= 11,7 МПа.

 Определяем напряжения  в сварных швах от момента  М:

,

где W – момент сопротивления.

;

= 336000 мм2.

= 35 МПа.

Расчетным случаем является т. А и для нее напряжение среза равно:

,

где [τ] – допускаемое напряжение на срез для сварного шва;

[σ] = 100 МПа [4];

[τ] = 0,6 ∙ 100 = 60 МПа;

= 60 МПа.

Расчет  пальца на срез и  изгиб

1.Определяем изгибающий момент в пальце принимая его рабочую длину l=15см

Mп = N٠l /4=215,4٠15/4=807,75 кН٠см

где  N - поперечное изгибающее усилие

l-рабочая длина пальца

2.Находим минимальный момент сопротивления сечения пальца, изготовленного из стали марки Ст5

 

Wп = Mп/(m٠0,1R) = 807,75 (0,9٠0,1٠ 230) = 30 см3.

где Мп - изгибающий момент

m – коэффициент условий работы принимаем  равным m= 0.90

 R – расчётное сопротивление круглой прокатной стали для осей и шарниров, МПа принимаем равным  R=230МПа

3.Найдем диаметр пальца

 

4. Проверяем палец на  срез

 

 

31.5 МПа≤126МПа

 

Вывод: Палец диаметром 6.6 сантиметра устойчив на срез и на изгиб.