Российский  Государственный  Университет нефти  и газа им. И.М. Губкина. 

Факультет: Проектирование, сооружение и эксплуатация систем трубопроводного транспорта. 
 

Кафедра: Сооружение и ремонт газонефтепроводов и газонефтехранилищ. 
 
 
 
 
 
 
 

по курсу: Машины и оборудование для строительства магистральных газонефтепроводов. 

Тема: Машина для планировки местности. 
 
 
 
 
 
 
 

                                                                                Выполнил: студент гр. ТС-99-5

                                                                                                                Козлов А.К. 

Проверил: Короленок А.М. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Москва 2002 г.

Введение

Машины для  земляных работ являются одними из основных видов машин, с помощью  которых осуществляется комплексная механизация при строительстве и ремонте магистральных трубопроводов, насосных и компрессорных станций, резервуарных парков и других объектов народного хозяйства. Объем земляных работ в общем объеме строительных работ в зависимости от сооружаемых объектов составляет до 80%. Поэтому одной из важнейших задач при проектировании и изготовлении этих видов машин является улучшение их качества, повышение надежности, снижение энергоемкости. Эта задача постоянно решается путем совершенствования принципов взаимодействия рабочих органов машин с грунтом.

Взаимодействие  рабочих органов машин с грунтом  при его разработке или уплотнении сопровождается деформацией, разрушением  и перемещением. Поэтому при анализе взаимодействия рабочих органов машин с грунтом и определении сопротивлений, возникающих при этом, необходимо знать физико-механические свойства грунтов, их прочностные характеристики, конструктивные особенности рабочих органов машин, способы их взаимодействия на грунт, что во многом предопределяет правильный выбор основных параметров этих машин при их расчете и проектировании. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Бульдозеры

 
 

Бульдозер – основная машина при выполнении подготовительных работ вдоль трассы будущего магистрального трубопровода. Он применяется для планировки местности, срезки бугров, засыпки траншей, перемещения грунта на небольшие расстояния и т.д. Бульдозер может быть использован для валки леса с корнями, корчевания пней и кустарников. В зимнее время его применяют для расчистки дорог и площадок от снега.

Возможность выполнения бульдозером многих трудоемких работ наряду с простотой, прочностью и надежностью конструкции сделали его самой широко распространенной общестроительной машиной. Бульдозер состоит из базовой машины (трактора) и специального навесного оборудования (отвала с рамой или толкающими балками).

   Рис.1. Бульдозер (общий вид):

1 –  базовая  машина; 2 – толкающая   балка, 3  - отвал, 4 - система управления отвалом. 

По установки  отвала относительно оси трактора различают  бульдозеры неповоротные и универсальные (поворотные).

Неповоротными называют бульдозеры, у которых отвал располагается только перпендикулярно к оси трактора, а универсальными – когда отвал может быть установлен как перпендикулярно к оси трактора, так и под углом к ней в вертикальной плоскости под углом 5-6 градусов (изменение угла резанья).

Отвал бульдозера представляет собой металлический вогнутый скребок сложного профиля, расположенный впереди трактора. Нижняя часть скребка плоская, сопрягается с верхней  в виде вогнутого участка цилиндрической формы. Вогнутая форма отвала опрокидывает поднимающийся по нему грунт вперед, не допуская переваливания через отвал.

Отвал состоит  из передней стенки, изготовляемой  из листовой стали, верхней и нижней балок, и боковых стенок или щек. В некоторых конструкциях отвалов щеки несколько выступают вперед за переднюю стенку. К нижней части отвала болтами с потайными головками крепятся ножи. Ножи изготовляются из высококачественной полосовой стали, они имеют в большинстве случаев двустороннюю заточку. По притуплении одной режущей кромки нож переворачивают для работы другой режущей кромкой.

К верхней части  отвала часто приваривают козырек, усиленный ребрами жесткости, а  к боковым щекам прикрепляют уширители. Козырек служит для предотвращения переваливания грунта через отвал. Совместно с уширителями он увеличивает объем грунта, перемещаемого бульдозером.

Сферический отвал (рис. 3, в) применяют для разработки мягких и средней крепости грунтов. Изогнутая в плане форма отвала предусмотрена для косого резания грунтов, при котором уменьшается сопротивление резанию и можно увеличить на 10 - 12% длину отвала. За счет выступающих вперед концов отвала объем перемещаемого грунта увеличивается на 20 - 25% по сравнению с прямым отвалом.

Отвал с рыхлящими боковыми зубьями (рис. 3, г) используют для разработки крепких каменистых грунтов бульдозерами большой мощности. Зубья выдвигаются гидроцилиндрами ниже ножей на 20 - 30 см.

Совковый  отвал (рис. 3, д) имеет боковые щитки, снижающие потери грунта при перемещении и выступающую вперед часть ножа для лучшего врезания в грунт. Применяют его для разработки малосвязных грунтов в случае перемещении их на большие расстояния.

Короткие  прямые отвалы (рис. 3, е) снабжают амортизаторами, предназначают для бульдозеров-толкателей, толкающих при работе землеройно-транспортные машины для получения большего тягового усилия.

Отвал неповоротного  типа крепится к двум толкающим балкам при помощи раскосов и подкосов, образуя с ними жесткую пространственную конструкцию. Свободные концы толкающих балок шарнирно крепятся к рамам гусеничных тележек трактора, обеспечивая тем самым вертикальные перемещения отвала при сохранении прямого угла между ними и осью трактора. 

а)    б)

    

Рис. 2. Конструкция  отвала бульдозера:

а –  неповоротного типа; б – универсального (поворотного) типа. 
 

а)     г)  

б)    д)

в)    е) 

Рис. 3. Формы  отвалов бульдозера:

а –  прямой; б – универсальный; в –  сферический; г – с боковыми рыхлящими  зубьями;

д –  совковый для уборки; е – короткий толкающий;

1 – лобовой  лист вместе с козырьком; 2 – боковые щитки; 3 – боковые ножи; 4 – угловые ножи;

5 – средние  ножи; 6 – открылки; 7 – выдвижные  зубья. 

Отвал поворотного  типа устанавливается шарнирно к  универсальной толкающей раме и двум толкателям. Свободные концы брусьев толкающей рамы крепятся, как и в первом случае, к рамам гусеничных тележек.

Передний конец  толкающей рамы снабжен оголовком  с шаровой опорой, входящей в шаровое  гнездо, расположенное в центре нижней балки отвала. Полученный таким образом  шаровой шарнир позволяет устанавливать отвал под различным углом к оси трактора. Необходимое положение отвала относительно толкающей рамы фиксируется толкателями. Они представляют собой регулируемые кронштейны, шарнирно крепящиеся к боковым щекам отвала и брусьям толкающей рамы. На каждом брусе предусмотрено несколько положений крепления каждого толкателя, что обеспечивает изменение угла установки отвала от прямого до острого вправо или влево, а также наклон отвала в вертикальной плоскости на 5-6 градусов. Толкающая рама универсальна, так как она может быть использована для установки вместо отвала оборудования кустореза или корчевателя.

В процессе работы бульдозер, двигаясь вперед, опускает отвал, ножи которого, врезаясь в грунт, срезают его поверхностный слой. Разрушенный грунт поднимается по отвалу и перемещается перед ним в виде призмы волочения. Набрав определенное количество грунта, бульдозер приподнимает отвал, прекращая тем самым процесс резания, и толкает перед собой срезанный ранее грунт до места разгрузки. Затем он останавливается и начинает движение назад с поднятым отвалом, оставив грунт. При необходимости разровнять транспортируемый грунт бульдозер продолжает двигаться вперед с приподнятым на некоторую высоту отвалом, разглаживая доставленный грунт, затем возвращается для повторения цикла.

По роду управления отвалом (поднимание и опускание) все  бульдозеры можно разделить на две  группы: с канатно-блочным и гидравлическим управлением. При канатно-блочном управлении отвал бульдозера поднимается и удерживается на требуемой высоте при помощи стального каната, пропущенного через систему блоков (полиспаст), и лебедки, приводимой в действие от вала отбора мощности трактора, а опускание отвала и заглубление его в грунт происходят под действием силы тяжести его и присоединенных к нему элементов навесного оборудования (толкающей рамы с толкателями или толкающих балок).

При гидравлическом управлении отвал бульдозера поднимается  гидроцилиндрами, питаемыми рабочей  жидкостью под давлением от насоса, приводимого в действие двигателем трактора, а опускается под действием своей силы тяжести и напорного усилия гидроцилиндров, передающих на отвал часть веса трактора.

Поэтому заглубление  отвалов одинаковой массы и конфигурации при гидравлической системе управления будет проходить более интенсивно и возможно в более плотных грунтах. Интенсификации процесса заглубления во всех случаях содействует также сила тяги трактора (при условии, что начальное заглубление состоялось). Для более эффективной работы в плотных грунтах бульдозеры с системой раздельного управления гидроцилиндрами  могут обеспечивать перекос отвала в вертикальной плоскости и рыхление грунта одним его краем. Для этого раскосы заменяют фигурными кронштейнами, привариваемыми к передней части каждого толкающего бруса, а в задней части брусья снабжаются дополнительными шарнирами, обеспечивающими их поворот относительно продольной оси при перекосе отвала.

Существуют также  отвалы с шарнирным сочленением  отдельных частей, геометрию которых  можно направленно изменять в  процессе работы гидроцилиндрами. Такие отвалы могут при необходимости принимать в плане форму совка или клина, выдвигать вниз центральную часть среднего ножа, увеличивая тем самым давление рабочего органа на грунт, и т.д. Командоаппарат управления отвалом бульдозера (золотник или рычажная система управления муфтой включения лебедки) находится в кабине тракториста, управляющего трактором и бульдозерным навесным оборудованием. 

Расчет  основных рабочих  параметров бульдозера

Тяговый расчет бульдозера.

Сопротивление грунта резанию и перемещению преодолевается тяговым усилием бульдозера, которое должно быть больше суммы всех возникающих сопротивлении. Усилие для преодоления этих сопротивлении определять для наиболее тяжелых условий работы бульдозера, т.е. когда он при копании и перемещении грунта движется на подьем и призма волочения грунта  достигает максимальной величины (высоты отвала).

При разработке грунта бульдозером с неповоротным отвалом максимальное сопротивление перемещению бульдозера Р в момент окончания набора грунта отвалом складывается из следующих величин:

,

где Р – сопротивление грунта резанию;

      Рпр – сопротивление перемещению призмы грунта (призмы волочения) перед отвалом;

      Рс – сопротивление от скольжения грунта вверх по отвалу;

      Рн  - сопротивление трению ножа отвала бульдозера по грунту;

      Рm – сопротивление перемещению тягача.

Сопротивление (кН) грунта резанию:

,

где  К – удельное сопротивление грунта резанию, кПа.

        В – ширина отвала, м;

        h – толщина стружки, м, (глубина резания);

Сопротивление (кН) перемещению призмы грунта перед  отвалом бульдозера:

где Vпр -  объем призмы, перемещаемой отвалом, м³;

       g – ускорение свободного падения тела, м/с²;

       µ₁ – коэффициент трения грунта по грунту;

       ρ – плотность грунта, кг/м ³;

       i – уклон местности, равный  тангенсу угла наклона местности  к горизонту (при движении на  уклон – положительное значение, под уклон – отрицательное).

При угле наклона  местности β≥10⁰ расчет следует вести по более точному уравнению:

а)     б)

в)    г)

Рис. 4. Схемы  к определению сопротивления  копанию грунта бульдозером. 

Объем грунта в  призме волочения, зависящей от геометрических размеров отвала бульдозера и свойств грунта, определяют согласно формуле:

где К_р – коэффициент разрыхления грунта;

       F_пр – площадь поперечного сечения призмы, равная

где H – высота отвала бульдозера по хорде, м;

        φ⁰ – угол естественного откоса грунта.

Тогда

где К_пр – коэффициент, зависящий от характеристики грунта и отношения H/B, т.е. от формы отвала.

Сопротивление (кН) от скольжения грунта вверх по отвалу, обусловленное формой отвала и поступательным перемещением трактора:

где µ₁ – коэффициент трения грунта по металлу;

       α – угол резания(угол поворота отвала бульдозера в вертикальной плоскости).

Сопротивление (кН) трения ножа бульдозера о грунт:

где  m₀ – масса отвала и частично массы толкающих брусьев, т;

        R_н – вертикальная составляющая сопротивлению грунта копанию, кН;

        R_н ≈ K₁·x·B ,

где   K₁ - коэффициент несущей способности грунта, K′ = 50-60 кН/м²;

         x – ширина нижней площадки ножа, трущейся о грунт, x = 0,01-0,02 м.

Сопротивление трению ножа бульдозера о грунт учитывается  только тогда, когда вертикальная составляющая сопротивления копанию и собственная  масса рабочего органа m₀ передающейся на грунт, не воспринимаются системой управления и не передаются на ходовую часть бульдозера, т.е. когда отвал не поддерживается в подвешенном состоянии подъемными гидроцилиндрами.

Сопротивление перемещению тягача определяется по выражению: 

где   М  – масса бульдозера, т;

         g – ускорение свободного падения;

         i – уклон местности, град;

         ƒ – коэффициент удельного  сопротивления перемещению бульдозера, т.е. отношение тягового усилия  к силе тяжести (в среднем  ƒ = 0,1- 0,15).

При угле наклона  местности β≥10⁰ расчет следует производить по следующему уравнению:

При разработке бульдозером с поворотным отвалом  формула для определения полного  сопротивления движению, в общем, аналогична формуле для определения полного сопротивления движению при разработке бульдозером с неповоротным отвалом, однако первые три слагаемые имеют поправку, учитывающую, что отвал находится под углом φ = 60 – 90⁰ в плане к направлению движения машины. Эти слагаемые запишутся так:

где  Р"_с – сопротивление трению, возникающему при движении грунта вдоль отвала, кН;

        φ – угол отвала в плане.

Найденные таким  способом силы сопротивления резанию  и перемещению грунта служат исходными  данными для определения необходимой  силы тяги и мощности привода базовой  машины. Машина находится в движении без пробуксовывания при условии, что сила тяги по сцеплению с грунтом больше общего сопротивлению движению, т.е.:

где  G_сц – сцепной вес бульдозера (принимается равным весу бульдозера);

        φ_сц – коэффициент сцепления движителя с поверхностью грунта;

        Р – общее сопротивление передвижению бульдозера.

Расходуемая двигателем бульдозера мощность определяется по формуле:

где  η –  КПД передачи от двигателя к ходовому колесу трактора;

        v – рабочая скорость движения бульдозера, км/ч. 

Производительность  бульдозера

 

Производительность  бульдозера при резании и перемещении  грунта определяется по формуле:

где  K_и – коэффициент использования бульдозера по времени,

(K_и = 0,85 – 0,90),

        К_y – коэффициент, учитывающий влияние уклона местности на производительность бульдозера;

        К_р – коэффициент разрыхления;

        t – продолжительность одного цикла, с;

       V – объем призмы волочения перед отвалом.

где  K_пот – коэффициент, учитывающий потери грунта в процессе перемещения призмы, K_пот = 1-0,005L_п;

где  L_п – расстояние, на которое перемещается грунтовая призма, м.

Выбираем скорость перемещения бульдозера на участках: набора грунта (резание):

        v_р = 2-6 км/ч, перемещение призмы v_п = 4-8 км/ч, движение задним     ходом v_зд = 5-10 км/ч.

Продолжительность работы машины t за один цикл слагается из следующих отрезков времени:

где

сек. – соответственно продолжительность (в секундах) работы машины при резании грунта, его перемещении и заднего холостого движения машины; 

                 – длина пути резания грунта;

        сек – секунда;

        h – толщина срезанного слоя, м;

        t_пп – время переключения передач (t_пп = 6 – 8 сек);

        t₀ – время опускания отвала (t₀ = 2 – 4 сек). 

Производительность  бульдозера при планировочных работах (разравнивании грунта) определяется по формуле:

где   L – длина планируемого участка;

        φ – угол установки отвала  в плане;

        b₁ – величина перекрытия прохода (b₁ = 0,5);

        n – число проходов  по одному месту (n = 1 – 2);

        v – рабочая скорость движения бульдозера (при резании);

        t_пов – время поворота бульдозера (t_пов = 10 – 15 сек).

Расчет  основных рабочих  параметров бульдозера с поворотным отвалом

 

Произведем расчет основных рабочих параметров бульдозера "ДЗ – 60"  с поворотным отвалом. Но предварительно зададимся необходимыми данными.

Исходные  данные:

Площадь планирования S = 5000 м².

Ширина отвала В = 4,86 м.

Высота отвала  Н = 1,3 м.

Толщина стружки  h = 0,1*H = 0,13 м.

Масса бульдозера М = 29,2 т.

Сцепной вес  бульдозера G_сц = М.

Угол резания  α = 60⁰.

Угол поворота отвала φ = 63⁰.

Ширина нижней площадки ножа, трущейся о грунт  x = 0,01 м.

Масса отвала и  толкающих брусьев m₀ = 4,2 т.

Длина планируемого участка L = 100 м.

Ширина планируемого участка L_ш = 50 м.

Расстояние, на которое перемещается грунтовая  призма L_п = 60 м.

КПД  η = 0,6.

Величина перекрытия прохода b₁ = 0,5.

Скорость резания  v_р = 5 км/ч.

Скорость перемещения  призмы v_п = 8 км/ч.

Скорость движения задним ходом v_зх = 8 км/ч.

Время поворота бульдозера t_пов = 10 сек.

Коэффициент использования  бульдозера К_и = 0,9.

Грунт выбираем первой категории, вид грунта – мягкий суглинок, средней крепости, влажный  и разрыхленный, без включений.

Плотность грунта ρ = 1300 кг/м³.

Коэффициент разрыхления  К_р = 1,12.

Коэффициент трения грунта по грунту µ₁ = 0,66.

Коэффициент трения грунта о сталь µ₂ = 0,6.

Удельное сопротивление  грунта резанию К = 65 кПа.

Угол естественного  откоса грунтов в градусах φ₀ = 30⁰.

Коэффициент удельного  сопротивления перемещению бульдозера f = 0,15.

Коэффициент сцепления  движителя с поверхностью грунта φ_сц = 0,7.

Угол наклона  местности в градусах β = 6⁰.

Уклон местности  i = tg(β) =0,1051.

Коэффициент несущей  способности грунта К₁ = 55 кН/м².

Ускорение свободного падения g = 9,81 м/с².

Расчет бульдозера "ДЗ - 60"

Тяговый расчет:

  Согласно  данной выше методике производства тягового расчета нам необходимо определить максимальное сопротивление перемещению бульдозера Р. Данный расчет мы начнем с определения составляющих данной величины.

Сопротивление грунта резанию:

Сопротивление перемещению призмы грунта перед  отвалом бульдозера:

при учете того обстоятельства, что угол наклона местности β<10⁰, расчет необходимо вести по формуле:

Определим объем  призмы волочения V_пр по формуле:

тогда

Определяем сопротивление  от скольжения грунта вверх по отвалу:

 

 

Определяем сопротивление  трению ножа отвала бульдозера по грунту:

Определяем сопротивление перемещению тягача:

при учете того обстоятельства, что угол наклона  местности β<10⁰, расчет необходимо вести по формуле:

Определяем максимальное сопротивление перемещению бульдозера:

Определяем силу тяги по сцеплению с грунтом бульдозера:

Определяем расходуемую двигателем мощность:

 

Производительность  бульдозера.

 

Определим коэффициент  потерь грунта: