Сертификация производительности бульдозера

Сертификация производительности какого-либо технического средства проводится обычно по инициативе предприятия-изготовителя с целью подтверждения его конкурентной способности. В этом случае осуществляется добровольная сертификация. Для произ­водства сертификационных испытаний необходимо подготовить мето­дику, обеспечивающую объективность полученных заключений. Про­цессу разработки методики сертификационного испытания, как прави­ло, предшествует теоретический анализ. Ниже предлагается такой анализ для оценки производительности бульдозера.

Существуют различные виды бульдозерного оборудования: пря­мые неповоротные отвалы, отвалы поворотные в плане, а также отва­лы с поворотом в вертикальной плоскости (с поперечным перекосом). Все виды бульдозерного оборудования имеют общее назначение - выполнение подготовительных работ, землеройно-транспортных опе­раций, грубого планирования. Некоторые конструктивные особенности отдельных видов бульдозерного оборудования позволяют произво­дить наиболее эффективно специальные работы. Так, поворотным в плане отвалом можно разрабатывать грунт с поперечным перемеще­нием, выполняя продольное передвижение машины вдоль строящей­ся насыпи земляного полотна автомобильной дороги. При этом отсут­ствует холостое движение машины. Кроме этого этим видом бульдо­зерного оборудования планирование участка можно производить бо­лее точно, чем другими. Бульдозерным отвалом с перекосом в поперечной плоскости можно делать кюветы, а при его удлинении возмож­но производить планирование откосов.

Современные конструкции бульдозерного оборудования допускают перекос отвала на угол ε между режущей кромкой ножа и горизон­тальной поверхностью грунта в плоскости, перпендикулярной направ­лению движения тягача, который изменяется в пределах 5°÷10°, что позволяет бульдозеру при работе на прочных грунтах осуществлять резание треугольной стружкой при необходимости устройства кюве­тов. Необходимость вырезания грунта углом отвала (треугольной ет бульдозеру при работе на прочных грунтах осуществлять резание треугольной стружкой при необходимости устройства кюветов. Необ­ходимость вырезания грунта углом отвала (треугольной стружкой) возникает при работе бульдозера на прочных грунтах, когда тяговое усилие тягача не обеспечивает рациональную разработку грунта пря­мо установленным отвалом.

Эффективность использования бульдозера оценивается произво­дительностью, которая зависит от размеров и формы отвала, грунто­вых условий, условий производства земляных работ, параметров тя­гача, квалификации оператора. Согласно современным источникам информации производительность бульдозера определяется форму­лами (1) и (2), аргументами которых являются объём призмы волоче­ния, перемещаемой бульдозером за один цикл, длина пути копания грунта при наборе призмы волочения, длина пути перемещения приз­мы волочения, скорости движения при выполнении операций копания, перемещения грунта и возврата бульдозера в исходное положение, а также время, необходимое для выполнения операций по управлению бульдозером.

,

где К_в - коэффициент использования бульдозера по времени; К_укл - коэффициент учёта уклона местности; V _пp - объем, перемещаемой за один цикл призмы волочения;

,

В - ширина отвала бульдозера;

Н - высота перемещаемой призмы волочения; К_пр - коэффициент призмы волочения, зависящий от свойств грунта и соотношения геометрических параметров отвала; К_р - коэффициент разрыхления грунта; Т_ч - время выполнения одного цикла работы бульдозера;

,

l _k-длина пути копания при наборе призмы волочения; l _п - длина пути перемещения призмы волочения грунта; l_x = l_k + l_n - величина обратного хода бульдозера, технологическая длина участка, на котором работает бульдозер; h- текущее значение глубины резания грунта;

V ₁, V ₂, V ₃ - скорости движения бульдозера соответственно при выпол­нении операций копания, перемещения и возврата бульдозера в ис­ходное положение;

t_p- время, необходимое для разворота бульдозера, в среднем t_п =10 с; t_о =(1÷2)c - время, необходимое для опускания отвала в рабочее поло­жение; t _c=(4÷5)c - время, необходимое для переключения передач.

Предлагаемые формулы не дают возможность оценить влияние параметров отвала и тягача, грунтовых условий на эффективность работы бульдозера, так как эти параметры в формулах представлены в неявном виде (коэффициентами или величинами, определяемыми на базе опыта эксплуатации конкретных моделей бульдозеров).

Определение связи между геометрическими параметрами отвала и объёмом призмы волочения

Наиболее распространены следующие отвалы бульдозера: непо­воротный, поворотный, полусферический, универсальный и сфериче­ский. Рассмотрим искомые взаимосвязи на примере неповоротного отвала. Основными характеристиками неповоротного отвала являют­ся /рис. 9/:

В - ширина отвала, м;

Н_o - высота отвала, м;

Н — высота отвала с козырьком, м;

R - радиус кривизны отвальной поверхности в вертикальной плоскости симметрии отвала, м; а - угол раскрытия отвала в вертикальной плоскости, град.

Для отвалов полусферической и сферической формы дополни­тельной геометрической характеристикой является радиус кривизны отвальной поверхности в горизонтальной плоскости (r).

Перед описанием математических моделей взаимосвязей между параметрами отвала и объемом призмы волочения оговорим условия их рассмотрения:

1.Объём призмы волочения определяется из расчёта, что грунт из призмы волочения осыпается под углом естественного откоса ρ, одинако­вым по всем направлениям относительно отвала.

2.Угол наклона отвала к горизонту γ измеряется от горизонтальной по­верхности до хорды, соединяющей верхнюю и нижнюю кромки отвала.

3.Угол наклона козырька отвала к горизонту принимается равным углу естественного откоса грунта призмы волочения.

Максимальный объём призмы волочения перед отвалом бульдозера может быть определён для двух случаев производства работ бульдозе­ром: при пионерном способе разработки грунта и траншейном.

При пионерном способе разработки грунта призма волочения опреде­ляется с учётом объёма грунта, рассыпаемого в боковые валики.

При перемещении призмы волочения траншейным способом объём перемещаемой призмы определяется без учёта объёмов грунта, находя­щихся за пределами длины отвала. Этот способ разработки грунта по от­ношению к пионерному является прогрессивным из-за отсутствия интен­сивных потерь грунта в боковые валики, что исключает необходимость более глубокого подрезания грунта в процессе его перемещения для вос­полнения потерь. Однако на практике пионерный способ разработки грун­та применяется относительно часто, и поэтому необходим анализ произ­водительности бульдозера как при траншейном, так и при пионерном спо­собе разработки грунта.

При пионерном способе разработки максимальный объём призмы во­лочения грунта перед отвалом с козырьком определится как сумма объё­мов фигур, компоненты которой на рис. 10 указаны римскими цифрами. Обозначим коэффициентом "а" соотношение высоты отвала с козырьком к

высоте отвала без козырька (а =) тогда:

объём призмы волочения грунта высотой Н за №I

или ;

Рис. 9. Размеры отвала

объём двух четвертей грунтового конуса №II высотой Н, распола­гаемых сбоку от вышеуказанной призмы грунта

или ,

объём призмы грунта №III высотой (Н-Н₀), расположенной под ко­зырьком отвала бульдозера

или ;

объём грунта №IV, расположенный на криволинейной части по­верхности отвала, ограниченный плоскостью, соединяющей верхнюю и нижнюю кромки отвала, а по торцам - вертикальными плоскостями, перпендикулярными отвалу,

или

объём грунта № V, расположенный по торцам криволинейной по­верхности отвала,

или

;

объём призмы грунта №VI, расположенной под козырьком отвала,

или

;

объём двух полупризм № VII по бокам отвала

или

.

Объём грунта, прилегающий к криволинейной части отвала, опре­делялся как объем призмы с сегментальным сечением по всей шири­не отвала за вычетом двух треугольных призм в верхних углах отвала с гранями следующих размеров:

один катет ; второй ;

стороной основания

или

.

Размер b (рис.9) определяется расстоянием от поверхности отва­ла до хорды, соединяющей верхнею и нижнюю кромки отвала, на вы­соте Н/2.

Рис. 10. Элементы призмы волочения отвала бульдозера

.

Радиус кривизны отвала R выражался через его высоту Н₀ и угол раскрытия в вертикальной плоскости α

(см. рис.9),

Объёмы призм грунта по краям отвала, прилегающие к криволи­нейной части отвала, определяются как сумма объёмов двух призм высотой , толщиной b, третья сторона призмы равна .

В итоге для случая разработки грунта пионерным способом макси­мальный объём призмы волочения перед вертикально установленным прямым отвалом можно представить в виде суммы

q = q _I + q _II + q _III + q _IV + q _V + q _VI + q _VII.

Последнее выражение после подстановки представленных выше компонент призмы волочения и соответствующего преобразования будет иметь вид

q = m ₁ × В × H+ m ₂ × Н, (4)

где

,

Для случая разработки грунта траншейным способом максималь­ный объём призмы волочения определится выражением

q = т ₁ × В × H, (5)

т.е. в этом случае т ₂ = 0.

Полученные зависимости позволяют определить связь только ме­жду геометрическими параметрами отвала и объемом призмы волочения. Предлагаемые; формулы расчёта максимального объёма приз­мы волочения перед отвалом бульдозера, как и формулы современ­ных источников научно-технической информации, базируются на рас­смотрении связи геометрических параметров отвала с геометриче­скими параметрами грунтового тела призмы волочения без учёта си­ловых возможностей тягача. При этом форму поперечного сечения призмы полагают в виде треугольника, вершина и высота которого оп­ределяются верхней кромкой отвала. Выражение (5) для определения призмы волочения перед отвалом практически соответствует форму­ле (2), в которой величина 1/(2К_прК_р) заменена коэффициентом m ₁, определяемым тригонометрическими соотношениями на базе пред­ставленного теоретического анализа.

Однако согласно экспериментальным наблюдениям призма воло­чения перед отвалом может принимать форму отличную от треуголь­ного очертания. Форма призмы волочения и её объём зависят от глу­бины копания грунта, при которой формируется призма волочения. Поэтому необходим анализ влияния глубины копания на качественные и количественные характеристики процесса формирования призмы волочения перед отвалом бульдозера.

Копание грунта пионерным способом сопровождается фор­мированием боковых валиков грунта, образующихся вдоль пути дви­жения бульдозера (Рис. 11), площадь поперечного сечения которых определяется по формуле

.

где h_в - высота бокового валика у края отвала, которая на участке на­бора грунта в призму волочения является величиной переменной; ρ - угол естественного откоса грунта в призме волочения.

Величина площади поперечного сечения боковых валиков характе­ризует непроизводительные потери грунта в процессе набора и пере­мещения призмы волочения. Эта величина является базовой хара­ктеристикой к расчёту максимального объёма призмы волочения грун­та перед отвалом в условиях копания пионерным способом, так как поступление грунта в призму волочения происходит за счёт срезанно­го грунта, часть которого уходит в боковые валики. Очевидно, увели­чение объёма призмы волочения должно прекратиться в том случае, когда площадь поперечного сечения вырезаемой стружки станет рав­ной площади поперечного сечения боковых валиков

F_в = В×h_к×k_р

где h_к - глубина копания грунта отвалом бульдозера;

k_p - коэффициент разрыхления грунта, изменяющийся в пределах от 1,1 до 1,3.

Высота призмы волочения и, следовательно, её объём зависят от толщины срезаемой стружки h_к, При копании грунта стружка, отделяе­мая от грунтового массива, может внедряться в тело призмы волоче­ния, перемещаясь вверх вдоль поверхности отвала. При своём пере­мещении вверх стружка вовлекает в движение прилегающие к ней слои грунта тела призмы волочения. Если толщина срезаемого грунта недостаточна для преодоления сопротивления внедрения грунта в призму волочения, рост высоты призмы волочения прекращается и процесс её формирования изменяется.

В начале копания в передней части призмы волочения образуется треугольная призма грунтового тела (рис. 10), а по бокам отвала тела вращения в форме четверти конуса высотой Н. В процессе копания с ростом высоты призмы волочения ширина передней части треуголь­ной формы уменьшается и при достижении определённой высоты сводится на нет. Форма передней части призмы волочения при этом может принять вид полуконуса с вершиной посередине ширины от­вала или усечённого конуса (рис. 11).

Максимально возможная высота призмы волочения перед отвалом определяется высотой боковых валиков, глубиной копания и физико-механическими свойствами грунта. При заданных размерах отвала возможны следующие случаи:

1.Высота отвала меньше максимально возможной высоты призмы волочения.

2.Высота отвала равна удвоенной высоте боковых валиков, при этом площадь сечения боковых валиков равна площади сечения вы­резаемой стружки.

3.Силы отпора со стороны срезаемого грунта не достаточно для про­движения новой порции грунта в тело призмы волочения максимально возможной высоты по условию равенства площадей боковых валиков и сечения вырезаемой стружки.

В первом случае перед отвалом образуется призма волочения в форме усечённого конуса, секущая плоскость которого непараллельна основанию и ориентирована под углом естественного откоса к гори­зонту. Набор призмы волочения такой высоты сопровождается осыпа­нием грунта из призмы через верхний край отвала под ходовое обору­дование тягача. Такой способ работы бульдозера общепризнан нера­циональным. Оператор бульдозера уменьшает глубину резания до величины, при которой отпор со стороны срезаемого грунта недоста­точен для преодоления сопротивления подачи грунта вверх на высоту большую высоты отвала. Глубина копания уменьшается до тех пор, пока площадь сечения боковых валиков не станет равной площади се­чения вырезаемой стружки. Теоретический анализ процесса форми­рования призмы волочения, при котором происходит осыпание грунта через верхний край отвала, не представляет практического интереса.

Рассмотрим второй случай формирования призмы волочения, ко­гда максимальный объём призмы определяется условием равенства площади сечения боковых валиков площади сечения вырезаемой стружки.

Процесс формирования призмы волочения здесь идёт по следую­щей схеме. Увеличение объема передней части призмы волочения сопровождается ростом высоты боковых валиков, максимальное зна­чение которой определяется равенством площадей боковых валиков и срезанного грунта по формуле

.

В этом случае максимально возможный объём призмы волочения определится из расчёта, что передняя часть призмы имеет вид усе­чённого полконуса высотой, равной удвоенной высоте бокового вали­ка. Радиус основания усечённого полуконуса призмы волочения со­гласно рис. 11 равен

или

Радиус верхнего сечения усечённого полу-конуса соответственно определится выражением

Максимально возможный объём призмы волочения, соответ­ствующий указанным условиям, можно определить, использовав по­лученное ранее выражение (4) для расчёта объема призмы волочения перед прямым отвалом в условиях копания грунта пионерным спосо­бом. Для этого из выражения (4) необходимо исключить компоненты расчёта объёма передних треугольной и конусообразной формы час­тей призмы волочения, заменив их объёмом усечённого полуконуса высотой Н, равной удвоенной высоте боковых валиков.

Тогда

Обозначим часть объёма призмы волочения, прилегающую к по­верхности отвала индексом q ¹

.

В итоге максимально возможный объём призмы волочения для прямого отвала определится выражением

. (6)

В третьем случае формирования призмы волочения, когда силы отпора со стороны срезаемого грунта недостаточно для преодоления сопротивления подъёма грунта на высоту отвала, рост объёма призмы происходит по следующей схеме. При достижении высоты призмы во­лочения, определяемой силой отпора со стороны срезаемого грунта, рост высоты призмы волочения прекращается, срезанный грунт вы­тесняется в переднюю часть призмы на некотором расстоянии от ло­бовой поверхности отвала. Призма волочения при этом принимает форму усеченного конуса высотой меньшей высоты отвала. Объем призмы волочения определится вышеприведенной формулой (6), где высота призмы равна

H=2×h_в= 2 ×

Полученные расчётные зависимости позволяют произвести анализ влияния параметров отвала бульдозера и глубины резания грунта на величину объема перемещаемой призмы волочения.

Анализ экспериментальных и расчётных данных по вышеприве­денным формулам позволил установить что:

1. Величина максимально возможного объёма призмы волочения с увеличением глубины копания возрастает.

2. Расчётные зависимости (1) и формулы из существующих источ­ников научно-технический информации для определения максимально возможного объёма призмы волочения перед отвалом бульдозера, в которых не учитывается влияние глубины копания, дают 100% -ную и более ошибку.

Рис. 11. Формирование призмы волочения максимального размера

Для определения производительности бульдозера рассмотрим схему процесса его работы (рис.12). Наиболее распространенным ви­дом работ бульдозера на строительных площадях является процесс устройства грунтовых насыпей, который выполняется по традицион­ной схеме: послойное резание, набор и перемещение грунта.

Работа бульдозера осуществляется в следующих основных ре­жимах:

в режиме активного копания, связанном с формированием призмы волочения грунта перед отвалом при непрерывном поступательном движении машины;

в режиме пассивного копания, связанном с перемещением призмы грунта и компенсированием потерь грунта из неё в боковые валики или под отвал во впадины неровностей грунтовой поверхности на пути перемещения призмы волочения; в режиме холостого хода вперёд или назад.

Скорость перемещения бульдозера при выполнении рабочих опера­ций зависит от сопротивлений, преодолеваемых тягачом, которые оп­ределяются физико-механическими свойствами разрабатываемых грунтов.

При наборе призмы волочения глубина резания грунта отвалом бульдозера в зависимости от пути его движения изменяется от макси­мального значения h_k в начале процесса копания до минимальной ве­личины h_n, Определяемой условием восполнения потерь грунта из призмы волочения в процессе её перемещения в боковые валики или во впадины рельефа местности.

Уменьшение глубины копания в процессе набора грунта в призму волочения определяется необходимостью сохранения тягового ба­ланса тягача, при котором сумма сопротивлений копанию не должна превышать тягового усилия, сохраняемого постоянным в процессе движения бульдозера. При движении бульдозера по мере набора призмы волочения производится выглубление отвала, что компенси­рует тем самым увеличение сопротивления копанию, пропорциональ­ное увеличению объема призмы волочения.

Рис. 12. Схема процесса работы бульдозера

Основными параметрами бульдозера являются вес конструкции G и мощность энергоустановки N, которые позволяют оценить эффек­тивность использования конструкции и расходы на реализацию эф­фекта. Вес конструкции бульдозера определяется суммой весов базо­вого агрегата-трактора G_Т и бульдозерного оборудования G_б.

По величине веса конструкции бульдозера и параметров ходового оборудования тягача можно определить реализуемое бульдозером тя­говое усилие. Для гусеничного ходового оборудования тяговое усилие определяется зависимостью

Т = G×ψ,

где ψ - коэффициент использования сцепного веса машины, величи­на которого ограничивается коэффициентом сцепления ψ_max.

В случае колёсного ходового оборудования

Т = G×θ× ψ,

где θ - коэффициент развесовки, определяющий долю веса буль­дозера, приходящуюся на ведущие колёса.

Определим скорости передвижения бульдозера при выполнении рабочих операций.

Скорость движения бульдозера при выполнении операции копания

,

где η - КПД трансмиссии;

ψ_к - коэффициент использования сцепного веса при выполнении опе­рации копания грунта;

δ_к = A ψ_к +B ψ - коэффициент буксования ходового оборудования тягача при выполнении операции копания;

А, В, n - эмпирические коэффициенты, зависящие от свойств опорной поверхности, по которой движется бульдозер. Для гусениц при движе­нии по плотному свежесрезанному А = 0,05, В =1,76, n = 12 [14]. Скорости движения бульдозера при выполнении операций пере­мещения и возвратный ход определяются соответственно по форму­лам

,

.

где ψ_п, ψ_т, δ _п, δ_т, - соответственно коэффициенты использования сцепного веса и буксования при выполнении операций перемещения грунта и холостого хода.

Путь заполнения отвала бульдозера призмой волочения l _k опреде­лится из условия постоянства тягового усилия в процессе набора грунта, реализация которого необходима для преодоления сопротив­лений:

перемещения бульдозера, определяемого по формуле

W_б=G× (f±i),

где f - коэффициент сопротивления перемещению ходового обо­рудования;

i – коэффициент, учитывающий влияние уклона местности; сопротивления отделения стружки от грунтового массива, которое по данным теоретических и экспериментальных исследований [20] опре­деляется зависимостью

W_p=K ₁ × B × h × (K ₂ +K ₃× h + K₄ × H) + К _зт × В _×δ ,

где K ₁, К₂, К₃, К₄ - коэффициенты, учитывающие механические харак­теристики разрабатываемого грунта и углы установки элементов кон­струкции отвала; Н - высота призмы волочения;

К_зт - величина сопротивления, возникающая на кромке затупления ножа отвала бульдозера, зависящая от свойств разрабатываемого грунта и геометрических параметров кромки затупления толщиной δ; сопротивления перемещения призмы волочения

W_пр =К ₅ ×V_пр,

где К₅ — коэффициент, учитывающий механические свойства разра­батываемого грунта и параметры отвала бульдозера, V_np - текущее, соответствующее пути копания значение объёма призмы волочения.

В результате имеем необходимое тяговое усилие бульдозера для совершения процесса копания грунта

T=G× (f±i) +K ₁ ×B×h× (K ₂ +K ₃ ×h+K ₄ ×Н) +К _зт ×В+К ₅ ×V_np, (7)

Для определения пути копания необходимого для набора призмы волочения V_np, представим текущее значение высоты призмы волоче­ния согласно формуле (2) в виде

,

приняв K _пр=const, подставим значение Н в выражение (7) и решим его относительно V_np

,

где

,

а ₂ =× [ G× (f±i) +K ₁ ×B×h× (K ₂ +K ₃ ×h) + К _зт ×В-T ].

Учитывая, что объём призмы волочения при постоян­ном тяговом усилии тягача и переменной глубине копания определит­ся зависимостью

. (8)

В то же время объём призмы волочения можно представить в за­висимости от пути её набора в виде

,

где К_п - коэффициент, учитывающий потери грунта из призмы волоче­ния при её перемещении.

В результате имеем

.

Продифференцируем левую и правую часть полученного выраже­ния по dl, а правую часть помножим и поделим на dh

. (9)

Определим производные величин а ₁ и а ₂

,

.

Подставим значения производных в уравнение (9), произведя раз­деление переменных, получим

После интегрирования последнего выражения получим формулу для определения величины пути копания грунта в виде

где h_к - максимальная глубина копания, обеспечиваемая тягачом на разрабатываемом грунте и определяемая из уравнения (7) при соот­ветствующих V_np и Н;

h_л - глубина копания при перемещении призмы волочения, опреде­ляемая условием восполнения потерь грунта.

Поданным [20]

или .

В дальнейшем преобразуем выражение (10), используя выражение (8)

Приняв обозначения

_D= K₃x^fr

(l-K„)xK_Ax^K_vxK^B '

Е = — х\КЫ Jbix V_np + K₂

K, ⁴ V 2 x В "^{p 2}, •

³ v J

_I= к₅ \ v~_p

K_}xK₄^XpxK_npxK_pxB и подставив значение а_ь получим выражение

I =-- Dx fi__I x dh решение которого

Г ~1

l = Dx h -h +te-/)xln^^/^

L ^{I +} K ■

Для определения пути копания воспользуемся условием, что про­цесс заглубления отвала в грунт до глубины Л_к происходит по прямо­линейной траектории под углом к дневной поверхности грунта р, что близко к данным, наблюдаемым на практике.

Тогда

i =А_+/

Величину глубины копания /?_к определим из уравнения тягового баланса в начале процесса копания при условии, что

Дата добавления: 2014-01-07