Методические указания к выполнению контрольной работы № 1

 

Бульдозеры. Выбрав по таблице 2 бульдозер того или иного класса, что соответствует величине тягового усилия, необходимо, используя справочные материалы, подобрать конкретную марку машины, по которой в дальнейшем будут произведены тяговый расчёт и расчёт производительности.

В характеристике машины необходимо привести её технические данные, описать устройство машины, схемы рабочего процесса и самой машины с указанием сборочных единиц и механизмов.

При составлении графика изменения производительности от дальности транспортирования грунта П = f(l)дальность транспортирования принимают поочерёдно: 25, 50, 75 и 100 м. Оценив полученный график, описать его, определив при этом оптимальную дальность перемещения грунта для конкретно выбранной машины.

Тяговый расчёт бульдозера. Тяговый расчёт бульдозера, как и любой другой землеройной машины, заключается в определении необходимого тягового усилия Р, которое должно быть больше или равно сумме всех возникающих при работе машины сопротивлений:

где п – количество видов сопротивления;

ω_i – сопротивление i-го в ида.

За расчётное положение при определении потребной силы тяги и мощ­ности двигателя берут момент окончания набора грунта перед отвалом бульдозера. Это позволяет учесть как сопротивление вырезанию стружки грунта с определённой площадью поперечного сечения, так и сопротивле­ние грунта, который перемещается впереди отвала (призма волочения).

В основу расчёта кладётся определение и суммирование сопротивлений, возникающих в процессе резания и перемещения грунта.

В работе рассматривается только один вариант расчёта: при работе бульдозера путём лобового перемещения грунта, независимо от его конструкции.

При работе бульдозера полное сопротивление, преодолеваемое толкающим усилием трактора, слагается из следующих сопротивлений:

,

где ω₁ – сопротивление грунта резанию, кН;

ω₁ = kF_0,

k –удельное сопротивление грунта резанию, кПа; его среднее значение для грунта I категории принимается равным до 70 кПа, для II – до 110 кПа, для III – до 250 кПа;

F ₀ – площадь сечения стружки,  которая  может  быть определена изусло-

      вия технологического режима работы машины,

 

F₀= h_срb₀;

h_cp – средняя глубина резания  (толщина срезаемого слоя), м (принимает-

ся самостоятельно);

b_o– ширина срезаемого слоя грунта, м;

ω₂ – сопротивление перемещению призмы волочения грунта,

 

;

 

 G_пр – масса призмы волочения, определяемая из  условий  полного запол-

        нения отвала грунтом;

,

V_ф – фактический объём грунта перед отвалом, м³ (расчётная формула

       приведена в разделе расчета производительности бульдозера);

ρ – плотность грунта в плотном теле, т/м³:

· I категория – песок рыхлый, сухо (ρ = 1,2 ... 1,6);

· I категория – песок влажный, супесь, суглинок разрыхленный (ρ = 1,4 ... 1,7);

· II категория – суглинок,  средний  и  мелкий гравий, легкая глина (ρ = = 1,5 ... 1,8);

· III категория – глина, плотный суглинок (ρ = 1,6 ... 1,9);

· IV категория – тяжелая глина, сланцы, суглинок со щебнем,  гравием  (ρ = 1,9 ... 2,0);

μ – коэффициент трения грунта призмы волочения по грунту поверхности, равный для связных грунтов 0,5,  несвязных – 0,7; песка и супеси – 0,35, среднего суглинка –0,50, тяжелого суглинка – 0,80, связных грунтов – 0,5, несвязных – 0,7;

– уклон пути;

α – угол уклона пути движения бульдозера к горизонту, град; знак «+» принимается при работе на подъем, «–» – при работе под уклон;

ω₃ – сопротивление перемещения грунта вверх по отвалу,

 

ω₃= G_пр f_гм cos² δ;

 

f_гм = tg j – коэффициент трения грунта по металлу. Угол тренияj = 20–35°:

δ – угол резания,  град  (для неповоротного  отвала  равен 55°, пово-

       ротного – 50–55°),              

ω₄ – сопротивление перемещению (транспортирования) бульдозера,

 

G –сила тяжести трактора с бульдозерным оборудованием, кН;

f – коэффициент сопротивления перемещению движителей трактора; для гусеничного движителя f = 0,15 ... 0,20, колёсного – f  = 0,10 ... 0,15.

Произведя тяговый расчёт для заданной машины, можно определить режимы, на которых следует работать, чтобы полностью использовать мощность двигателя, и какие максимальные рабочие сопротивления можно преодолеть для работы на заданных режимах. В случае, если сумма сопротивлений при производстве тягового расчета окажется больше или меньше тягового усилия выбранной марки машины, необходимо, проанализировав составные части расчёта, принять решение, способствующее изменению его в сторону снижения или увеличения. Принятые мероприятия следует обосновать и отобразить в тексте при повторном расчёте.

Производительность бульдозера. Производительность – это объём продукции, производимой в единицу времени данным оборудованием в соответствии с его конструктивными особенностями, технической характеристикой и определенными организационно-производственными условиями.

Производительность бульдозера при резании и перемещении грунта

 

где V_ф–фактический объём грунта (в плотном теле) перед отвалом, м³,

В – ширина отвала бульдозера, м;

Н – высота отвала с учётом козырька, м; В и Н принимают по паспорт-

  ным данным выбранной машины;

К_пр – коэффициент, зависящий от характера грунта, призмы волочения

   (связности, коэффициента разрыхления) и отношения высоты отвала к

    ширине:

 

Отношение Н/В	0,15	0,3	0,35	0,4	0,45
Кпр для связных грунтов	0,70	0,8	0,85	0,9	0,95
Кпр для несвязных грунтов	1,15	1,2	1,25	1,3	1,50

 

K_р – коэффициент разрыхления, характеризует механические свой­ства грунта или насыпного материала и представляет собой от­ношение объёмной массы грунта в естественном залегании (на­сыпной массы) к объёмной массе грунта в условиях его раз­рыхлённого состояния,

Значения коэффициентов разрыхления грунта в зависимости от катего­рии грунта следующие:

 

Категория грунта	I	II	III	IV	V	VI
Кр	1,15	1,20	1,25	1,33	1,43	1,43

 

К_в – коэффициент использования бульдозера по времени, равный 0,80–0,85;

К_укл – коэффициент, учитывающий  влияние  уклона  местности на произ-

   водительность бульдозера (таблица 4).

 

Таблица 4 – Зависимость производительности бульдозера от рельефа местности

Угол подъёма, град	Кукл	Угол уклона, град	Кукл
0–5 5–10 10–15 –	1,00–0,67 0,67–0,50 0,50–0,40 –	0–5 5–10 10–15 15–20	1,00–1,33 1,33–1,94 1,94–2,25 2,25–2,68

 

Т_ц – длительность цикла, с,

 

t_р – время, необходимое для формирования призмы волочения, с,

 

t_р = l_р / ν₁;

 

l_р – длина пути резания, равная 5–7 м;

ν₁ – скорость движения бульдозера при копании грунта, равная 0,4–0,5 м/с (уточняется по характеристике базовой машины с учётом буксирования движителей);

t_п – время, необходимое на перемещение грунта на требуемое расстояние, с,

 

t_п = l_п / ν₂;

 

l_п – длина участка перемещения грунта, м;

ν₂ – скорость  движения  бульдозера  при  перемещении грунта,  равная  

  0,9–1,0 м/с (уточняется по характеристике базового шасси с учётом   

  буксирования движителей);

t_o.x – время обратного холостого хода бульдозера, с,

 

t_o.x = (l_р + l_п)/ ν₃;

 

ν₃ – скорость движения трактора в обратном направлении, равная 1,1–2,2 м/с (уточняется по характеристике базового шасси);

t_с – время на переключение скоростей, равное 4–5 с;

t_о – время на опускание отвала, равное 1–2 с.

Обычно бульдозеры производят резание грунта на первой-второй передаче, что составляет 0,4–0,5 м/с, а транспортирование его к месту выгрузки на второй или третьей передаче – 0,9–1,0 м/с. Возвращение его к месту набора грунта для нового цикла осуществляется, как правило, задним ходом со скоростью 1,1–2,2 м/с. Если бульдозер работает с поворотами, необходимо в общем времени цикла учесть время на повороты. Время, необходимое на один поворот, t_пов = 10 с.

Экскаваторы. Экскаваторы – это землеройные машины, предназначенные для разработки грунта и его перемещения для выгрузки в отвал или в транспортные средства (таблица 5).

Таблица 5 – Область эффективного применения экскаваторов и зависимости от

                сменного оборудования

Вид сменного оборудования	Вместимость ковша, м3	Область эффективного применения
Прямая лопата   Обратная лопата     Драглайн     Грейфер	0,25–2   0,25–1,00     0,25–1,5     0,35–1,5	Разработка котлованов, траншей с погрузкой в транспорт (в малом количестве – в отвал) при уровне грунтовых вод ниже подошвы разработки Разработка траншей, котлованов с погрузкой грунта в транспорт и в отвал независимо от уровня грунтовых вод Разработка котлованов глубиной до 18 м с погрузкой в транспорт и в отвал независимо от уровня грунтовых вод Разработка глубоких котлованов независимо от уровня грунтовых вод

 

Рабочий процесс одноковшового экскаватора состоит из рабочего цикла, т. е. разработки и перемещения грунта, и передвижения экскаватора к забою после того, как с места стоянки экскаватора станет неудобно или невозможно продолжать дальнейшую разработку грунта. Во время передвижения экскаватора работа не производится, поэтому время, затрачиваемое на передвижки экскаватора, следует максимально сокращать.

Рабочий цикл экскаватора состоит из следующих операций:

1 Собственно копание грунта (срезание грунта и заполнение им ковша).

2 Выведение ковша с грунтом из забоя, чтобы обеспечить возможность беспрепятственного поворота платформы.

3 Перемещение заполненного грунтом ковша к месту разгрузки, для чего поворачивают или платформу с рабочим оборудованием (у полноповоротных) или только рабочее оборудование (у неполноповоротных машин).

4 Разгрузка грунта из ковша в отвал или транспортное средство.

5 Перемещение ковша (поворот платформы) к забою.

6 Опускание ковша для подготовки к следующей операции копания.

Производительность экскаватора. Различают теоретическую (конструктивную), техническую и эксплуатационную производительность экскаватора П, м³/ч.

Теоретическая производительность экскаватора определяется как произведение геометрической вместимости ковша q на конструктивно возможное (расчетное) число рабочих циклов в n час:

 

П = qn .

Техническая производительность экскаватора – это наибольшая возможная производительность экскаватора при непрерывной работе в данных конкретных условиях:

П_т = qn_тК_г,

 

где n_т – наибольшее возможное число циклов в минуту  при данных

        условиях грунта и забоя;

К_г – коэффициент влияния грунта,

 

К_г = К_н;

 

 – коэффициент влияния разрыхления грунта;

 К_н – коэффициент наполнения ковша (таблица 6).

Таблица 6 – Минимальные значения коэффициента наполнения ковша Кн
Наименование грунта	Категория грунта	Кн
		для лопаты	для драглайна
Песок и гравий, щебень и  хорошо взорванная скала	I, V, VI	0,95–1,02	0,80–0,90
Песок и гравий влажные	I, II	1,15–1,23	1,10–1,20
Суглинок	II	1,05–1,12	0,80–1,00
Суглинок влажный	II	1,20–1,32	1,15–1,25
Глина:
средняя	III	1,08–1,18	0,98–1,06
влажная	III	1,30–1,50	1,18–1,28
тяжелая	IV	1,00–1,10	0,95–1,00
влажная	IV	1,25–1,40	1,10–1,20

 

Коэффициент влияния разрыхления грунта зависит от степени его разрыхления, он обратно пропорционален коэффициенту разрыхления грунта:

 

 = 1 / К_р.

 

Значения коэффициентов К_р, К'_р в зависимости от категории грунта:

 

Категория грунта	I	II	III	IV	V и VI
Кр	1,15 0,87	1,20 0,83	1,25 0,80	1,33 0,75	1,43 0,70

 

Таким образом,                                         

 

П_т = 60qn_тК_н / К_р.

 

Эксплуатационная производительность, в отличие от технической, учитывает использование экскаватора по времени и квалификацию машиниста, т. е. степень организации экскаваторных работ и умение машиниста владеть машиной.

Эксплуатационная производительность может быть часовой, сменной, месячной, годовой:

П_э = П_тК_вК_м,

 

где К_в – коэффициент, учитывающий использование экскаватора по времени;

К_м – коэффициент, учитывающий квалификацию машиниста.

При определении коэффициента К_в учитывают только те задержки, которые неизбежны при работе экскаватора: передвижки в забое, время на техническое обслуживание и т. п. При работе в транспорт К_в = 0,7 ... 0,75; при работе в отвал К_в = 0,8 ... 0,93.

Коэффициент, учитывающий квалификацию машиниста для строительных универсальных экскаваторов, принимают равным 0,86.

Рассматривая такой показатель, как n_т – наибольшее возможное число циклов в минуту (n_т = 60 / t_ц), следует иметь в виду, что продолжительность цикла t_ц зависит от множества факторов, в том числе от вместимости ковша:

 

t_ц = t_к + t_п + t_в + t_п.з,

 

где t_к – продолжительность копания, равная 6–10 с;

t_п – продолжительность поворота на выгрузку, равная 7–11 с;

t_в – продолжительность выгрузки, равная 1–3 с;

t_п.з – продолжительность поворота в забой, равная 7–10 с.

Скреперы. Скреперы являются землеройно-транспортными машинами, предназначенными для послойного (горизонтальными слоями) копания грунтов, транспортирования и отсыпки их в земляные сооружения слоями заданной толщины.

Кроме того, при движении по насыпям скреперы своими колёсами уплотняют отсыпанные слои грунта, благодаря чему сокращается потребность в специальных грунтоуплотняющих машинах.

Скреперы используют для разработки разнообразных грунтов I–III категорий: от чернозёма и песка до тяжёлых глин. Очень плотные грунты предварительно разрабатывают рыхлителями.

Применение скреперов определяется дальностью возки грунта (таблица 7).

 

Таблица 7 – Область эффективного применения скреперов в зависимости

                от дальности транспортирования и вместимости ковша

Скреперы	Вместимость ковша, м3	Дальность перемещения грунта, м
Прицепные	3–4,5 6–7	До 250 350
Самоходные	8–10 15 4,5–8 15 15–25	500 До 800–1000 До 1500 2500 3000

 

Увеличению производительности и эффективности работы скреперов способствует создание самоходных машин повышенной мощности с двумя двигателями (дополнительный служит для привода задних колес скрепера), а также применение самоходных скреперных поездов из двух или трёх скреперов, загружаемых поочерёдно.

Некоторые модели скреперов с гидравлическим управлением оснащаются системой «Стабилоплан» для автоматической стабилизации положения ковшов при планировочных работах. Эта система дает возможность автоматически выдерживать заданный уклон продольного профиля планируемой поверхности.

Производительность скрепера. Эксплуатационная производительность скрепера, м³/ч, в плотном теле

П_э = qn К_нК_в/К_р,

 

где q – вместимость ковша скрепера, м³;

n – число циклов в час,

n = 3600/ t_ц;

t_ц – продолжительность одного рабочего цикла скрепера, с,

 

t_ц = l₃ / ν₃ + l_т / ν_т + l_р.з / ν_р.з + l_п.х / ν_п.х + t_п + 2 t_пов;

l₃,  l_т, l_р.з, l_п.х –длины участков заполнения ковша, транспортировки грунта,

                     разгрузки ковша, порожнего скрепера, м;

ν₃, ν_т, ν_р.з, ν_п.х – скорости скрепера при заполнении ковша, транспортировке

                     грунта, разгрузке и порожнем ходе, м/с (таблица 8);

t_п – время на переключение передач тягача;

         t_пов. – время на один поворот.

              К_н –коэффициент наполнения ковша грунтом, равный 0,6–1,3,

К_н = q ' / q;

 

q ' – объём рыхлого грунта в ковше скрепера;

К_р – коэффициент разрыхления грунта в ковше скрепера, 1,1–1,3,

К_в–коэффициент использования машины по времени, 0,8–0,9;

 

Таблица 8 – Эксплуатационные параметры скреперов

 

Параметр	Вместимость ковша, м3
	3	6–8	10–12	15–25
Длина пути наполнения, м	12–15	15–20	20–25	30–35
Максимальная скорость передвижения vmax, км/ч: прицепные скреперы самоходные скреперы	11,49	9,5–13  12;45 44,0–4,5		45
Длина пути разгрузки, м	–	3–10		–
Время на поворот и перек-лючение передач, с	50–60(прицепной) 15–30 (самоходный)
Скорость движения, км/ч, при заполнении ковша	–	(0,65–0,80) ν1 (0,55–0,75) νmax		–

Автогрейдеры. Автогрейдер является самоходной планировочно-профилировочной машиной, основным рабочим органом которого служит поворот на отвал с ножами, размещённый между передним и задним мостами пневмоколёсного ходового оборудования.

Автогрейдер применяют при отделке земляного полотна дорог, вырезке кюветов и боковых откосов насыпи и профилировании поверхностей с перемещением грунта на расстояние не более 100 м. Его используют при разработке грунтов I–III категорий.

Современные автогрейдеры выполнены по единому конструктивному подобию и представляют собой самоходную трёхколёсную машину с полноповоротным отвалом и гидравлическим управлением рабочими органами.

Производительность автогрейдера. Производительность автогрейдера, м³/ч, при профилировании земляного полотна

 

П = V К_в/t,

 

где V – объём призмы грунта, вырезанный за один проход, м³,

 

V = FL,

 

F – сечение стружки в призме волочения, м²;

L – длина прохода, м;

К_в – коэффициент использования машины по времени, равный 0.8-0,9;

t – время цикла, ч.

Производительность, км, отпрофилированной дороги

 

П = L К_в/t,

 

где t – продолжительность профилировки, ч,

 

t = L ν_ср + t_пов(П – 1)/60,

 

ν_ср – средняя рабочая скорость автогрейдера, равная 3000–4000 м/ч.