CC BY
25
УДК 661.878.62
DOI: https://doi.org/10.26518/2071-7296-2022-19-4-500-513 EDN: CKATGW
Я Check for updates
Научная статья
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ОТВАЛА БУЛЬДОЗЕРА
Н. Т. Сурашов1*, Р. Б. Асматулаев2, Д. Н. Толымбек3
1Казахский университет путей сообщения,
г. Алматы, Казахстан
2ТОО «НИиПК Каздоринновация»,
г. Алматы, Казахстан
3Аруна-АИ,
г. Нур-Султан, Казахстан
nurgalisurashov@mail.ru, http://orcid.org/0000-0002-1798-2253 ruslan_asmatulaev@mail.ru, http://orcid.org/0000-0001-5531-6641 damirinvest@mail.ru, http://orcid.org/0000-0002-1612-2171
ответственный автор
АННОТАЦИЯ
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 (Гзрмания), 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. Гоафоаналитическим и математическим вычислением оптимизирован процесс взаимодействия отвала с грунтом, определены максимальные (предельно-допустимые) параметры отвала с учетом тягового усилия трактора и категории разрабатываемого грунта.
© Сурашов Н. Т., Асматулаев Р. Б., Толымбек Д. Н., 2022
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.
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-у-ширителя;
- определены: периметр отвала, ширина и высота бокового валика при формировании максимальной призмы волочения грунта перед отвалом.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: бульдозер, рабочий орган, отвал, козырек, ножи, призма волочения, угол резания, уширитель, связный грунт, лобовая поверхность отвала
БЛАГОДАРНОСТИ. Авторы благодарят Л. А. Хмару и Р. А. Кабашева за оказание ценных консультаций.
Статья поступила в редакцию 08.04.2022; одобрена после рецензирования 12.07.2022; принята к публикации 27.07.2022.
Авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.
Прозрачность финансовой деятельности: авторы не имеют финансовой заинтересованности в представленных материалах и методах. Конфликт интересов отсутствует.
Для цитирования: Сурашов Н. Т., Асматулаев Р Б., Толымбек Д. Н. Определение оптимальных конструктивных параметров отвала бульдозера // Вестник СибАДИ. 2022. Т. 19, № 4 (86). C. 500-513. https://doi.org/10.26518/2071-7296-2022-19-4-500-513
DOI: https://doi.org/10.26518/2071-7296-2022-19-4-500-513 EDN: CKATGW Original article
BLADE OPTIMAL DESIGN PARAMETERS DETERMINATION
Nurgali T. Surashov1*, Ruslan B. Asmatulaev2, Damir N. Tolymbek3
1Kazakh University of Railway Engineering, 2ТОО Kazroadinnovatsia, Almaty, Republic Kazakhstan, 3Aruna-AI, Nur-Sultan nurgalisurashov@mail.ru, http://orcid.org/0000-0002-1798-2253 ruslan_asmatulaev@mail.ru, http://orcid.org/0000-0001-5531-6641 damirinvest@mail.ru, http://orcid.org/0000-0002-1612-2171
Corresponding author
ABSTRACT
Introduction. In Kazakhstan in present time there is a large number of earthmoving works, which leads to an increase in the demand for earthmoving-transport machines (ETM), in particular bulldozers of different types. In various industries and construction projects, the fleet of foreign-made ETM is operated and constantly updated, including the CIS countries (Russia, Belarus, Ukraine, etc.) in various type-sizes. So at construction sites, including the construction of roads and railways, bulldozers are widely used: Caterpillar Corporation such as Cat (USA), Liebheer (Germany), Xuanhua Construction machinery Co, Ltd (HBXG) and ZoomLion and Shehwa (China); bulldozers ChTZ-UralTRAK (Russia), etc.
© Surashov N. T., Asmatulaev R. B., Tolymbek D. N., 2022
Content is available under the license Creative Commons Attribution 4.0 License.
The construction of roads and railways with a length of several thousand kilometers is impossible to imagine without the participation of a universal bulldozer. One of the most important components of the bulldozer is the working organ (WO) of the bulldozer.
The performance of the bulldozer largely depends on what type of blade is installed on it. Capacity (maximum prism of drawing the soil) is one of the main characteristics determined by the height and width of the blade, and most manufacturers offer add-ons (visor) that makes it possible to increase the height of the blade. Increasing the blade height allows more material to be moved and reduces spillage through the top of the blade. On the other hand, increasing the volume of the drawing prism along the width of the blade is offered by the side cheeks, giving the blade the shape of a bucket. They do not allow the moving soil to fall out on the sides of the blade (side rollers), thereby increasing the volume of material being moved. However, an excessive increase in blade capacity will require additional power costs of the bulldozer during operation, which will cause an increase in loads on the machine components and accelerate the intensity of their wear, especially when the bulldozer moves up the slope.
The volume of material moved by the blade in one pass depends, in addition, on the possibility of changing the angle of the blade relative to the vertical and horizontal plane. In modern blade designs, the positions of the angle of inclination are regulated by 4 or 6 positions, depending on the category of soil being developed. The purpose of this study is to optimize the geometric parameters and establish the trapezoidal shape of the blade, taking into account the interaction of its frontal surface with the formed maximum prism of drawing the soil. Materials and methods. As materials, the developed soil and the bulldozer blade were used, the process of their interaction was investigated with the maximum formation of the prism of drawing the soil before the dump, using the graphic-analytical method of research.
Results. The process of interaction of the blade with the soil has been optimized by graphic-analytical means, the maximum (maximum permissible) parameters of the blade have been determined, taking into account the traction factor of the bulldozer and the category of the soil being developed.
Discussion and conclusion. Until now, the geometric shapes of promising designs of the bulldozer blade were installed mainly by experimental means, without taking into account the contact of the blade area with the ground. Methods for determining the rational shape of the blade have not been developed, especially the theoretically grounded optimal parameters of the WO, taking into account the touch of the longitudinal section of the soil from the frontal surface of the blade. Methods for determining the optimal (adapted) shapes and geometric parameters of the WO were not developed, taking into account the contact of the frontal surface of the blade with the maximum drawing prism. Methods for calculating the optimal parameters of the perspective blade design adapted to the developed soil are proposed:
- rational geometric shapes of both the frontal and cross-section of the blade are determined;
- mathematical formulas for determining the optimal parameters of the new blade design are presented, namely: the height of the blade and the visor; width of the blade, visor and additional knife-extender;
- defined: the perimeter of the blade, the width and height of the side roller, when forming the maximum prism of drawing the soil in front of the blade.
KEYWORDS: bulldozer, working body, blade, visor, knives, drawing prism, cutting angle, extender, cohesive soil, frontal surface of the blade.
ACKNOWLEDGEMENTS. The authors thank L. A. Khmar and R. A. Kabashev for offering valuable advice.
The article was submitted 08.04.2022; approved after reviewing 12.07.2022; accepted for publication 27.07.2022.
The authors have read and approved the final manuscript.
Financial transparency: the authors have no financial interest in the presented materials or methods. There is no conflict of interest.
For citation: Surashov N. T., Asmatulaev R. B., Tolymbek D. N. Blade optimal design parameters determination of the optimal design parameters of the blade. The Russian Automobile and Highway Industry Journal. 2022; 19 (4): 500-513. https://doi.org/10.26518/2071-7296-2022-19-4-500-513
ВВЕДЕНИЕ
Для повышения долговечности дорог Министерством транспорта и коммуникаций Казахстана в 2016 г. принято решение о проектировании и строительстве автомобильных дорог международного значения под транспортную нагрузку не ниже 13 т на ось, с цементобетон-ными и асфальтобетонными щебеночно-ма-стичными покрытиями.
Выдвинутая первым Президентом РК «Стратегия развития Казахстана до 2050 года» - документ поистине глобального масштаба. В частности, в нем приведено строительство международной автомобильной дороги: «Западная Европа - Западный Китай», которая ежегодно будет приносить Казахстану 2 млрд тенге дохода. Одновременно введены в эксплуатацию такого же уровня автотрассы:
Астана - Усть-Каменогорск, Астана - Атырау - Актау, Алматы - Семей - Усть-Каменогорск, Алматы - Астана, Нур-Султан - Кокшетау -Талшын в сторону Омска1.
Для выполнения этой Государственной программы и огромного объема строительных работ требуется большое количество парка строительно-дорожных машин. Одними из универсальных и широко распространенных строительных машин являются бульдозеры разных типов. Современные бульдозеры, оснащенные отвалами с комплексом режущих ножей и рыхлителями, широко применяются для выполнения земляных и планировочных работ, в частности, при строительстве автомобильных и железных дорог, аэродромов, плотин и так далее2 [1, 2 ,3 ,4 ,5].
Согласно исследованиям профессоров В. И. Баловнева и Л. А. Хмары, от объема грунта, перемещаемого отвалом за один рабочий цикл, зависит производительность и эффективность использования бульдозеров, при этом с увеличением объема призмы волочения грунта повышаются производительность и энергетические ресурсы бульдозера (рисунок 1) [1].
1 2 3
Рисунок 1 - Призма волочения грунта: 1 - призма;
2 - отвал; 3 - боковые валики; 4 - стружка [2]
Figure 1 - Soil dragging prism: 1 - prism; 2 - blade;
3 - side rollers; 4 - shavings [2]
При резании стружки (см. рисунок 1) грунт 4 собирается перед отвалом 2 в виде призмы волочения 1, которая наваливает на расстояние А. В процессе перемещения призмы волочения неизбежны потери в валике грунта 3 через боковые грани отвала. Чем больше призма волочения, тем выше производительность бульдозера. Для уменьшения продолжительности рабочего цикла важно повышать скорость вы-
полнения рабочих операций. Увеличение скорости холостого хода позволяет существенно уменьшить время цикла. Для увеличения объема призмы волочения и тем самым уменьшения потери грунта боковые валики используют следующие рациональные способы: движение по следу; траншейный способ; спаренный способ; при работе под уклон; на разных уровнях; с широкозахватным отвалом. Каждые эти предложенные способы уменьшают потери грунта в боковые валики в зависимости от расстояния перемещения грунта [1, 2, 3].
В статье [4] приведены результаты и теоретические предпосылки увеличения производительности и накопительной способности неповоротных отвалов бульдозеров, при этом максимальная степень использования тягового усилия базового трактора подтверждена экспериментальным путем на физической модели.
С целью эффективности эксплуатации бульдозеров на обе боковые стороны установлены съемные открылки-уширители, которые позволяют увеличивать накопительную способность рабочего органа бульдозера с учетом тягового усилия трактора [4].
В результате комплексного эксперимента на физической модели была разработана конструкция боковых захватов для обеспечения работоспособности агрегата с максимальным набором объема призмы волочения. Учитывая требования по минимизации продольных параметров рабочего органа бульдозера, без существенного снижения его накопительной способности ими были рекомендованы длина верхней кромки /=0,14-0,42 м, а угол наклона передней кромки ножа ^=40°-50° [1, 4].
Однако в данной статье не полностью определены геометрические параметры отвала, в том числе параметры максимальной призмы волочения перед отвалом.
В статье [5] в результате проведенных на стенде грунтового канала экспериментальных исследований по копанию связных грунтов под гидростатическим давлением модернизи-
1 Послание первого Президента Республики Казахстан Н. А. Назарбаева народу Казахстана Стратегия «Казах-стан-2050» // Казахстанская правда. № 101 от 28.12.2012 г.
2 Кабашев Р. А., Сурашов Н. Т., Гудович М. И. Анализ и оценка перспективных конструкций рабочих органов зем-леройно-транспортных машин // Механизация и автоматизация земляных работ / Сборник докладов. Киев: КИСИ, 1991.С.24-27.
рованными плоскими отвалами установлено существенное снижение сопротивления копанию по сравнению с копанием в тех же условиях традиционными плоскими отвалами. Экспериментальные исследования проведены на стенде физического моделирования для изучения процесса копания грунтов плоскими отвалами под гидростатическим давлением.
Однако в данной работе снижения энергоемкости копания грунтов достигли путем проникания в водную среду, жидкость попадает в контактирующие поверхности между лобовой поверхностью отвала и грунтовым пластом.
В статье Кабашева Р. А., Сурашова Н. Т., Гу-довича М. И.3 дан анализ и оценка перспективных конструкций рабочих органов бульдозера. Из анализа конструкции рабочих органов ЗТМ отвального типа (всего 270 патентов и авторских свидетельств) были выбраны наиболее перспективные конструкции отвалов в зависимости от категории разрабатываемых грунтов и для дальнейшего проектирования, изготовления и их внедрения в производство.
В статье А. Ю. Красноносова [6] описано математическое моделирование взаимосвязи параметров рабочего органа и энергоемкости копания грунта бульдозером. Определены традиционным методом: сопротивление копания, перемещение призмы волочения и трения ножа с грунтом. На основании этих сопротивлений определена потребная мощность базового трактора и установлена производительность бульдозера. В результате предложены формулы для определения энергоемкости копания грунта и получена математическая модель, устанавливающая взаимосвязь основных параметров навесного оборудования бульдозера с энергоемкостью копания грунта.
В данной статье [6] не учтены геометрические параметры отвала и его формы, а также не установлены параметры максимального объема перемещаемой призмы волочения и не учтены объемы потери боковых валиков.
В статье А. И. Демиденко и К. Ю. Гатыч [7] рассмотрена схема взаимодействия рабочего оборудования бульдозера с грунтом, позволяющая повысить производительность за счет захвата и транспортирования дополнитель-
ным отвалом сразу двух призм волочения. Изучен процесс взаимодействия дополнительного отвала бульдозера с ковшом, составлена расчетная схема и получены аналитические зависимости для определения сопротивления копанию дополнительным отвалом. Получен график зависимости усилия на штоке гидроцилиндра при копании дополнительным отвалом от хода штока.
В статье [8] проф. А. М. Завьяловым, С. С. Черняком обоснована и тщательно исследована математическая модель процесса копания грунта бульдозера. Результаты приведены для различных категорий грунтов и оформлены в виде графиков при различных функциях изменения толщины стружки. Однако не учтены оптимальные параметры отвала и призмы волочения при моделировании процесса копания грунта бульдозера.
В работе [9] предложена методика расчета геометрических параметров призмы волочения на отвале бульдозера на основе создания виртуальной и графической модели с использованием компьютерных программ, разработан аналитический метод построения прямолинейной и криволинейной частей отвала и предложены методы расчетов элементов призмы волочения на различных стадиях копания.
В статье [10] изложены экспериментальные исследования на грунтовом канале, в результате которого получены численные значения сил сопротивления копанию, сопоставление их с теоретическими исследованиями влияния параметров отвала на величины сил сопротивления копанию. В результате анализа и сопоставления теоретических исследований с экспериментальными данными подтвердили, что наиболее существенное влияние на величину сил сопротивления копания оказывает величина радиуса криволинейной части отвала. Увеличение радиуса на 40% привело к снижению сил сопротивления копания и при максимальном наборе призмы волочения на 20^30% в зависимости от категорий грунта [11].
Авторы4 [12] широко изучили процесс взаимодействия рабочего органа землерой-но-транспортных машин отвального типа с различными грунтами и на основе аналити-
3 Кабашев Р. А., Сурашов Н. Т., Гудович М. И. Анализ и оценка перспективных конструкций рабочих органов зем-леройно-транспортных машин // Механизация и автоматизация земляных работ / Сборник докладов. Киев: КИСИ, 1991.С.24-27
4 Щербаков В. С., Колякин В. И., Беляев В. В. Влияние геометрических параметров ЗТМ на процесс заглубления рабочего органа // Гидропривод и системы управления строительных и дорожных машин. Межвуз. сб. науч. тр. Омск.: ОмПИ, 1989. С. 58-61.
ческого исследования позволили сформулировать и доказать ряд теорем и следствий, отражающих общие закономерности формирования оптимальных геометрических параметров отвала землеройно-транспортных машин. Ими были установлены закономерности структурных особенностей землеройно-транс-портных машин с учетом неровностей поверхностей грунтов, также другими авторами5 [13, 14, 15] рассмотрены вопросы развития конструктивных особенностей рабочих органов бульдозера и действующие нагрузки на них при разработке различных категорий грунтов.
Одним из факторов для увеличения производительности и эффективного использования тяговой способности трактора с бульдозерным оборудованием, по данным Д. И. Федорова, является возможность предельно допустимого формирования максимального объема призмы волочения и их перемещения, которые зависят от величины площади лобовой поверхности отвала [3]. В связи с этим в данной статье приведены теоретические исследования определения оптимальных геометрических размеров лобовой и поперечной поверхностей отвала. К общим требованиям землеройно-транспортных машин отвального типа относится обеспечение заданной производительности при известных физико-механических свойствах разрабатываемого грунта, от которых, в свою очередь, зависит форма и геометрические параметры отвала.
Зарубежными учеными Jaroslaw Selesh и Dariusz Ulbrich (Польша) [16] и Y.Franco, D. Rubenstein, I. Shmulevich (США) [17] изучены процессы взаимодействия рабочих органов землеройно-транспортных машин отвального типа с абразивными грунтами. Даны рекомендации по процессу работы бульдозера с грунтами абразивного вида с автоматизированным пультом управления. Корейскими учеными Sang-Ho Kim и Yong-Seok Lee [18] изучены процессы взаимодействия рабочих органов бульдозера с различными категориями грунтов, в том числе грунтами с твердыми включениями. Расположения рабочих органов регулируются сенсорными устройствами в зависимости от нагрузки, возникающей в узлах отвала бульдозера.
Анализ отечественных и зарубежных источников показал, что широко исследованы процессы взаимодействия рабочих органов бульдозера с грунтом разного типа, при этом за основу принималась стандартная геометрическая форма отвала.
Цель данной работы - графоаналитическим путем определить основные параметры взаимодействия рабочих органов бульдозера с грунтом (при наборе максимального объема призмы волочения), на основе которого сконструирована новая конструкция отвала, увеличивающая производительность бульдозера на 10-15%, уменьшающая металлоемкость и энергоемкость бульдозера.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В основном в Южном регионе Казахстана часто встречаются связные, плотные грунты и грунты с каменистыми включениями. Для дальнейшего исследования при разработке грунтов бульдозерами принимались связные грунты, относящиеся ко 2-й и 3-й категории грунтов6 [2].
Конструктивными основными параметрами стандартного отвала являются (рисунок 2): В и Н - соответственно ширина и высота отвала, м; Нк - высота козырька, м; R - радиус кривизны отвала, м; I - длина дуги отвала, м; Ф - центральный угол кривизны отвала, град.; в' - расстояние от основания отвала до точки контакта по высоте с грунтом, (высота валика) м; Р - периметр контура взаимодействия перемещаемого грунта с отвалом, м; С - высота части призмы волочения, возвышающаяся над козырьком, м; а' - ширина бокового валика (просыпания грунта), м.
Основными эксплуатационными параметрами являются: игр - скорость перемещения с грунтом бульдозерного отвала, км/ч; р - угол внутреннего трения грунта в покое, град.; е - угол наклона отвала, град.; Пэ - эксплуатационная производительность бульдозера, м3/ч [1, 3].
Для повышения эффективности использования бульдозерных отвалов, а также для увеличения как технической, так и эксплуатационной производительности, умень-
5 Щербаков В. С. Теория точности землеройно-транспортных машин, выполняющих планировочные работы // Автомобильные дороги Сибири: /Тез. докл. II Международн. конф. Омск, 1998, С. 248-251.
6 Кабашев Р. А., Сурашов Н. Т., Гудович М. И. Анализ и оценка перспективных конструкций рабочих органов зем-леройно-транспортных машин // Механизация и автоматизация земляных работ / Сборник докладов. Киев: КИСИ, 1991.С.24-27.
шения металлоемкости и энергоемкости бульдозеров следует рассмотреть в начале отвалы различных конструктивных форм с учетом набора максимальной призмы волочения и затем определить их оптимальные конструктивные параметры на основе рациональной формы отвала бульдозера (рисунок 3).
Как известно, находящиеся в настоящее время в эксплуатации отвалы бульдозеров по своей конструктивной форме не отвечают современным требованиям с точки зрения эффективности использования их по площади взаимодействия с перемещаемым грунтом, что в свою очередь ведет к увеличению металлоемкости и энергоемкости бульдозеров.
Рисунок 2 - Схема взаимодействия отвала с грунтом при максимальном объеме призмы волочения: а - схема взаимодействия лобовой поверхности отвала с максимальным объемом призмы волочения грунта; б - поперечное сечение отвала и призмы волочения Источник: составлено авторами.
Figure 2 - Scheme of interaction of the blade with the ground at the maximum prism of drawing a) scheme of interaction of the frontal surface of the blade with the prism of drawing;
b) blade cross-section and drawing prisms Source: compiled by the authors.
Рисунок 3 - Предлагаемая конструкция отвала бульдозера (Патент KZ № 13578)
Источник: составлено авторами.
Figure 3 - The proposed design of the dozer blade (Patent KZ №13578)
Source: compiled by the authors.
Анализ процесса взаимодействия бульдозерного рабочего органа с грунтом различной категории позволил нам разработать принципиально новую конструкцию отвала с верхними боковыми скосами и ножами-уширителями [19], что обусловило сохранение максимального объема призмы волочения при ее транспортировке (патенты КЪ №13578 от 14.08.2003 г.; № 13576 от 14.08.2003 г.; № 15852 от 04.04.2005 г. - автор Н. Т. Сурашов).
Конструктивные основные параметры новых конструкций отвалов следует определять с учетом угла естественного откоса р и периметра Р, по которому перемещаемый грунт касается с отвалом.
Площадь поперечного сечения грунта, взаимодействующего с отвалом, (см. рисунок 2) определяется из суммы
Fo6=Fl+F2+R+F4+F5, (1)
где F1 - площадь прямоугольника abed; К - площадь трапеции авже; F3 - площадь трапеции
ежпк; F4 - площадь сегмента клм; F5 - площадь треугольников (боковые валики): adh и вез. Площадь прямоугольника abed можно определить по формуле
Р?=Вв'. (2)
Площадь трапеции авже следует определять по выражению
Р2=иВНВ-2^^тН-е') = В{Н-е)-^^. (3)
2 Щр Щр
Площадь трапеции ежпк определяем из выражения
2 Щр Щр Щр Щр
Площадь сегмента клм равна
(5)
4 2 1<Ар 2 , <Ар 2 1<Ар 1<Ар
4 Щр Щр
Площадь треугольников adh и вез можно определить по следующей зависимости
^^асШ ^вез
^=2 4^ = 7^- (6)
2
Суммируя все площади (формулы (2)...(6)), определим площадь лобового сечения перемещаемого грунта, взаимодействующего с лобовой поверхностью отвала:
^=0,25 В^Ър + В.в'-(Н2-2Н-в' + 2Н-Н«+2в'Н«+Н«К
ШР (7)
щр и)
+ Н2- 2Не' + 2Н ■ Нк + 2в'Нк + (б')2 + Н;.
Данное выражение представляет собой функцию площади лобового сечения перемещаемого грунта, взаимодействующего с поверхностью отвала в зависимости от конструктивных параметров бульдозерного отвала (В, Н, Нк, в' , а' ). Полагая в каждом конкретном случае постоянной вы-
соту сосала и снос еетествеиного откоса, найдем оптимальные зночеооя котсфусттоных п^|:)^|\т(5^,ио[^:|0^(тс;то:тн1ме саг ос;сс^е(;н|с|1е^ отЕкг^миЕ) се самез коттоккл ео нын-ос к фонол, он
Олк :ст"01"0 ооoоиOсфоаонасоеое -опеую наоте пысожеипс )т) пт к':
дВоБ оВоЛСтОмKН_2я д2ЯпСо0'( ^
двЕ
Сзмр озы
^^^^^^ни^^^ н^сю к екоте-
чил ^^^^^^^^^
Оь1ннт:^мо^м тысозу стз01|эн^ отвала, Нк. Длт нчого п,oадиlO»cC)ьм^ПlHL^итравуючасои высожения(7)по НК:
ня кон Ок' и „ „ , „
-=--г?.---+ 2Н-2к'д2Нк. (14)
оме1 изо рнио
Поиасвтнньо крьоетодную к нулю и произведя соответствующие преобразования, полу-ним
дн нв е
сер ли окс
■нЯт)' + 2Нк = 0, (15)
тс _ Ш _ оЩ ^м^
воо за
сон
кыоижоос ипниналонып кта-оноя в' дон кизфаокыxькучeиcо он аз С0К т, рошае ое
оТНООКЧРЛ _ НО ЕЕ0 - КОЛуснО
= Н -Я.,
Нс-Н ко
0КБО
с Ю)
Соп|;)€эн:т«кчк^^о кысотк оттона, КС Дли^ч эн\г01"0 продифференцируем правую чалт- ^ь^^р^акк^^ ниан (на по Я:
ет^
О н с 2еЕ г ЯНа
то BЩР И
Н он -2' + 2НС (ЦЦ)
^^иТ«^_ и и тло т^Еикеолтую а|/)а[э и просз-зодя щ о е п рзо ЛЕз-кианита, ^^лу^^
тот уркзмекте
2.Ц 2к' пОЯ,
«зоно ^^^ п^с»
он -а:н,з'-fс^^ =2 0, (и
кото ею вно1 [¡^зоюо опоимолеиые пн^-иения ^н>1-ооты онзаао ИС .о^е к\:>нзиет"оых-нотена» ОТ, к[ се о г-ееы LUJ(lFl ое стносительноН,палучпм
Пот 2---c-, (1)Н)
Изо -«
соттрле выояжоет оптнмальные знатения еоысоты .аы^а отвела Нк нее нонк=ена ых зноандпй Н, а' и, уишаоеа оанааиталаео Нк, полуонс
сп н°а ' ( )
Опи|Т<од^=^^^ ш^^ин^ отвр л а, В. Для этэ го продиффет<энцируее вДаадвю чаэсэ вораже-ния(7)по В к
дЯ (В
= Ы,0В к нля р (а'.
(ИГ)
Ндпаапн-вал производную к нулю и прниз-чедо арпт=стопвл=щич ^^^лбр^^зоюаеиэк калу-чимуравнение
(18)
котороо пы рожоят опеимальнысзначетия ши)опвомо О-ля тооеоетпыxзэаэнней к' и, еешан ооаэснтклэпс) В, поо^ам
о^опп
2в'
тутнои нлр
(19)
Оптимальные значения ширины отвала В можно определить и через оптимальные зна-ченияуглаестественногооткосар:
^ = 0,25В2 —H a--— (#- - 2Нв' + 2H-HK+ 2e'HK + HK). (20)
dp N02 p sin p
Инн-нантная nGGltroat/it е нттю н дннинодоз соотвотенвоющие ноеоНоетооазто, полунтм вы+оженоя
0,ТТ2?2 -0— с---—(C22 - 2Яв' в2Н-Нк+ 2в'Нк H Нк) = 2, (20)
cos р sin р
(сторое вяюраратя оптисолнные soaaения (Э для коакрнтныхзннноний В, КО, в', Нк или впт и маль-НTT ЗНООеННО ET ДЛЯ HCHTfMETHblDEEERNaaiC /"/, /йк в», M И1 ееш2Т СйеОСйССЛНО / внт В i (ИвуС MINI
. / #2-2#2' + D#.Я + То'# н#
р 2 arccin 0—--K---0-г-, (22)
^ 0#2 - 2Нв' - 2Н • Я + 2ЮЯ, в Н,, - Т,25В2
"К К '
или
я 2 /((in^ я л IS-Я2 - 2Нв' n ИОЯ■Я, + 2в'Нр H нк5
^2 л Тдеонд+Рй о (3
ЕСля апаздонодля оноималниых знаоеонй шорсно- козыуьчо зноала Втаамдотн ыано-ЩЕДй ЛОЕООУ0 оноерпносни Ч^НТЕ^ЧаИМОДа н TT /¡»Ю L°e >"0 о 0З>BR A DEI> Ч /> >НОН E|THH^:|n КОНСТруООЕа-нь>Е п^д)О11\/1(5тр| |ео есен
О-щ =\вр+ 2»-HBH pO,BcH — В- ---Bxe'-tf2 + о^В^р -Нg H22^. (24) 2 2 2 2 — tgp tgp
Диффе.енцоруед нствн+ чнеоь вь>Еажеост (14С по В^:
dF 1д , н N
—. = -(-Н + в + Bjgp) . (25)
дВд 2
Приравнивая производную к нулю и произведя соответствующие преобразования, получим выражение
н2(-# Дв' + 5,2РВ = 2, (26)
кот орое вьфажитт оптимален1ые нкаэения е^/се(ля1 конкреакых ипача нт 1-й и ее', и, |ееш а я еенюии-тельно iEJK, полунмм
Вкд-Р-1И-в-)--Р-(Ию а '(, B тш- = Рт(H д е.. (27)
pp tgp опт tgp
Опльнольнаю зпннсзио поньыознн Реьиане чьрес onTMiv^i^j^i^i^b^^^ тонструктизныхио-
рам отрои можно вифазить схед^щим офаием:
P _ /(sin2 р - 1)(Я2 - 2Нп' + 2Н ■ Нк + 2в'Нк + Нк) Роеи i 0,25 sin2 р
+ 2KgpEH+HgA2{Hk-HE-B— +
top
(28)
+ ПоКр)2о' О-2Н- 4НК о В)- Pgp(2+ + О-- 2НК - 4Я) - 2(Я+ + Я) + AHAHgp-A(B а О) + Н'к - 1
Е+Р
ОБСУЖДЕНИл И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Зонхт^атмахые нпнммыпньые пмхлелфы нотые енлиасохипП отаопаны апаеыеыеыныл ихтлеь епоанеем тоощазт поытоичемзы сечемия грунта, взаимодействующего с РО, можно представить следующим образом: 1. Высота ттвалт, И/
' опт
Н _ HHK-_')-{\-tgp)
11ОЕИ ^ л ■ (¿У)
tgp-!
2. Высота ковырпват 0Л.:
— _н$-гср) + О,5+п'-(1 + ig2g (
— Egp ' ()
3. Ширина отвалао Вы
1 ( s i n К p С 1)(#К - 2Нп' + 2Н- Нк + 2e'HK + Н2) 2,25 sin2 р
4. Расстольлв оо ониовапи а отвала н о таьеп копеакта п о из ысоье с; арунтое , в(:
Не _ -^-^-к-£--• (31)
?Оеи = Of + Я- в Hk Н - 0,5В. (32)
В
5. Шиална зозлфьеа тт(зкпла( В:
_ _ Htgp н 2)Н о П ' к + р 1
В _ ——--к—к— . (33)
-ОЕИ tgp К с
6. П e риметр отвала, Р: Р =
(sin2 р -1)-Я2 - 2 Не' + 2Н ■ H к+ 2в'Нк + H J
0,25 sin2 р
+ 2g +gp
+ 2tgp{H + Я, ) + 2 (Я, - як -Д-, +
(34)
| tg2 р (2 е ' -2Я -4 Д^к еBg-рр(2О + 2Р-2НК -4Н)-2(Я, -f Я) +
2(tgp-gtgp -smg
g 2Btgp-2-H-e') + HK-l ïg,P
7. Дополннтелоная шнрноа ^^^^^уь^ирэ^^^^я, а:
er = О, 6 • р + О, 6 • в '■ tgp-kee , (35)
ще а! = Р-Щр - ширлга бокового в алика грогтв, н; Рбг - кнэффициент игривы го-жа-^шиовтепя; крнстгугввнвно:
Р^бе = ОН - ря снягнры ирунтсв; Г- - 0е6 -;кя наанязных г|эунтрн( иогра е свова .ррсгпол-оюкор(^г5^1го нкгжа-ашккгггеля Гидра -эа1ЕНР
н-ант; раая
о-а р" ; кон—фкниенр ^гьзккнтлг. I ножагншн-итс-ля (принимаемконструктивно);
нН- - Н,2 - дао аеовныо Ерунтав; а'Не - 1;Л -длянесвязныхгрунтов[1,4].
1. На основе аналитического метода был установлен процесс взаимодействия бульдозерного РО со средой, получены принципиально новые конструкции отвала ,с боковыми скосами и ножами-уширителями, что обусловливает сохранение максимального объема призмы волочения при ее транспортировке, например, при разработке сыпучих и рыхлых грунтов, достигнув тем самым адаптацию лобовой формы отвала к форме перемещаемой призмыволочения.
2. Для сформированных бульдозерных отвалов, имеющих комбинаторное сочетание формы отвала, режущих ножей и ножей-уши-рителей, представлены расчетные формулы для выбора и определения их рациональных параметров.
3. Аналитические исследования образования призмы волочения перед отвалом позволили разработать различные конструкции отвалов, оснащенных выступающими сред-
ними ножами (ВСН), боковые косынки (БК) и с боковыми уширителями, что позволяет увеличивать производительность бульдозера на 7...10%.
4. В результате проведенных графоаналитических расчетов определены оптимальные геометрические параметры конструкции отвала: высота отвала и козырька; ширина отвала, козырька и дополнительного ножа-уширителя, радиус кривизны лобовой поверхности отвала.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Баловнев В. И., Хмара Л. А. Интенсификация разработки грунтов в дорожном строительстве. М.:Транспорт, 1993.384 с.
2. Кабашев Р А. Дорожные и строительные машины: абразивный износ рабочих органов зем-леройныхмашин.Апматы:Галым,1997.434 с.
3. Федоров Д. И. Рабочие органы землерой-ныхмашин.М.:Машиностроение,1977.288 с.
4. Хмара Л. А. Басий В. В., Деревянчук М. И., Максюк Ю. А. Исследование накопительной способности отвала бульдозера с боковыми ограничивающими элементами // Вестник Харьковского национального автомобильного дорожного универ-ситета.№2.2005.Харьков:ХНАДУ С.80-84.
5. Тургумбаев С. Дж., Кабашев Р. А. Результаты экспериментальных исследований процесса копания грунтов модернизированным рабочим органом под гидростатическим давлением // Вестник СибАДИ. № 2 (54). 2017. Омск: СибАДИ. 2017. С. 36-42.
6. Красноносов А. Ю. Математическое моделирование взаимосвязи параметров рабочего оборудования и энергоемкости копания грунта // Engineering & Technologies. 2014. № 6. Красноярск: СибФУ. 2014.С.585-686.
© 2000-2№02 Вест20К Снб№№И 20Т 1
The Ruesin2 Autom-bile 02d HHhway Indueti- -ьнгпа I
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). .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-транс-портных 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. Jaroslaw 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.
REFERENCES
1. Balovnev V. I., Hmara L. A. Intensifikacija raz-rabotki gruntov v dorozhnom stroitel'stve [Intensification of soil development in road construction]. Moscow: Transport, 1993. 384 p. (in Russ.)
2. Kabashev R. A. Dorozhnye i stroitel'nye mashiny: abrazivnyj iznos rabochih organov zemlero-jnyh mashin [Road and construction machines: abrasive wear of working bodies of earthmoving machines]. Almaty: Falym, 1997. 434 p. (in Russ.)
3. Fedorov D. I. Rabochie organy zemlerojnyh mashin [Working bodies of earthmoving machines]. Moscow, Mashinostroenie,1977. 288 p. (in Russ.)
4. Hmara L. A. Basij V. V., Derevjanchuk M. I., Maksjuk Ju. A. Issledovanie nakopitel'noj sposobnosti otvala bul'dozera s bokovymi ogranichivajushhimi jele-mentami [Study of the accumulative ability of the blade of a bulldozer with lateral limiting elements]. Vestnik Har'kovskogo nacional'nogo avtomobil'nogo dorozh-nogo universiteta. 2005; 2: 80-84. (in Russ.)
5. Turgumbaev S. Dzh., Kabashev R. A. Re-zul'taty jeksperimental'nyh issledovanij processa ko-panija 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. (in Russ.)
6. Krasnonosov A. Ju. Matematicheskoe mod-elirovanie vzaimosvjazi parametrov rabochego ob-orudovanija 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. (in Russ.)
7. Demidenko A. I., Gatych K. Ju. Raschet usilij kopanija rabochim oborudovaniem bul'dozera [Calculation of the efforts of digging with the working equipment of the bulldozer]. Vestnik SibADI. 2017. 2 (54). 2017: 17-22. (in Russ.)
8. Zav'jalov A. M., Chernjak S. S. Proektirovanie optimal'nyh rezhimov zaglublenija rezhushhego instrumenta bul'dozera v grunt [Designing optimal modes of deepening the cutting tool of a bulldozer into the ground]. Vestnik SibADI. 2009; 1 (11). 2009: 53-60. (in Russ.)
9. Berestov E. I., Leskovec I. V. Metodika rascheta geometricheskih parametrov prizmy volocheni-ja na otvale bul'dozera [Methods of calculation of geometric parameters of the prism of drawing on the dump of a bulldozer]. Vestnik Belorussko-Rossijskogo universiteta. 2009; 2 (23): 6-13. (in Russ.)
10. Leskovec I. V. Berestov E. I., Smoljar A. P. Vli-janie parametrov profilja otvala bul'dozera na velichiny sil soprotivleniju kopanija [Influence of the parameters of the profile of the blade of the bulldozer on the magnitude of the forces of resistance to the digging]. Vestnik Belorussko-Rossijskogo universiteta. 2015; 2 (47): 12-22. (in Russ.)
11. Leskovec I. V. Istorija i perspektivy razvitija zemlerojnogo oborudovanija otval'nogo tipa [History and prospects for the development of earth-moving
equipment of the dumping type]. Vestnik Beloruss-ko-Rossijskogo universiteta. 2011; 3 (32): 64-70. (in Russ.)
12. Shherbakov V. S., Galdin V. N. Osnovnye po-kazateli gidravlicheskih impul'snyh sistem stroitel'nyh mashin [The influence of the geometrical parameters of the ETM on the process of deepening the working body]. Vestnik SibADI. 2013; 1(29): 47- 51. (in Russ.)
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, Is-sue-11, Nov. 2015: 25-28.
14. Surashov N. T. Nauchnye osnovy sozdanija perspektivnyh rabochih organov zemlerojno-transport-nyh mashin [Scientific foundations of the creation of promising working bodies of earth-moving machines]. Almaty: KazGASA. 2004. 263 p.
15. Hmara L. A., Spil'nik M. A. Povyshenie jef-fektivnosti rabochego processa kovsha skrepera (ko-panie i vygruzka grunta) [Improving the efficiency of the working process of the scraper bucket (digging and unloading the soil)]. Vestnik SibADI. 2013; 5 (33). 2013: 30-39. (in Russ.)
16. Jaroslaw 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. Surashov N.T., Asmatulaev R.B., Tolymbek D.N. Determination of a rational shape of a bulldozer blade considering the soil background of the Republic of Kazakhstan. The Russian Automobile and Highway Industry Journal. 2021;18(6):662-677. (In Russ.) https:// doi.org/10.26518/2071-7296-2021-18-6-662-677
ВКЛАД СОАВТОРОВ
Сурашов Н. Т. Формулировка направления, темы исследования и научной гипотезы. Формулирование проблемы исследования. Разработка теоретических исследований, выбор методологии и методов исследований (40%).
Асматулаев Р. Б. Обзор результатов предшествующих исследований. Постановка задач исследования. Обозначение аналитических исследований (30%).
Толымбек Д. Н. Проверка теоретических предположений, анализ результатов исследования, редактирования, формирование выводов. Рецензирование результатов, корреспонденция данных с иностранными авторами (30%).
COAUTHORS' CONTRIBUTION
Nurgali T. Surashov. Formulation of the direction, research topic, scientific hypothesis. Formulation of the research problem. Development of the theoretical studies, selection of methodology and methods of research (40%).
Ruslan B. Asmatulaev. A review of the previous research findings. Statement of the research objectives. Designation of the analyses (30%).
Damir N. Tolymbek. Verification of the theoretical assumptions, analysis of the research results, editing, formation of the conclusions. Review of the results, correspondence of the data with foreign authors (30%).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Сурашов Нургали Толымбекович - д-р техн. наук, проф. кафедры «Организация движения, управление на транспорте и логистика».
Асматулаев Руслан Борисович - канд. техн. наук, акад., директор.
Толымбек Дамир Нургаливич - канд. техн. наук, доц., директор.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Nurgali T. Surashov - Dr. of Sci., Professor, Traffic and Transport Management and Logistics Department.
Ruslan B. Asmatulaev - Cand. of Sci., Director.
Damir N. Tolymbek - Cand. of Sci., Associate Professor.
