CC BY
2
УДК 629.032
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-2-534-535
ВЛИЯНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК БУЛЬДОЗЕРА НА ЕГО ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ
В.А. Жулай, В.Л. Тюнин, А.Н. Щиенко
Рассмотрена задача определения влияния технических характеристик бульдозера на время цикла его работы, а, следовательно, и его производительность, при копании и перемещении грунта по челночной схеме. Производительность бульдозера, как и любой машины периодического действия, определяется не только объемом выработанной продукции, но и временем ее создания, т. е. временем рабочего цикла. Проведен анализ влияния на общую величину времени цикла его отдельных составляющих. Для проведения аналитических исследований приняты значения технических характеристик средних бульдозеров (тяговый класс гусеничных тракторов 10, 15 тс). В результате проведенных аналитических исследований установлено: величины составляющих цикла работы бульдозера существенно зависят от дальности транспортировки грунта; время копания грунта, определяемое совершенством рабочего органа и энергонасыщенностью базового трактора, оказывает значимое влияние на общее время цикла работы только при небольших дальностях перемещения грунта (до 30 м), при дальностях перемещения грунта более 30 м основное влияние на общее время цикла оказывают время транспортировки грунта и время холостого хода; наибольшим потенциалом по снижению времени цикла работы бульдозера имеет составляющая времени транспортирования грунта, определяемая скоростью движения бульдозера на этой операции, которая ограничивается динамическими свойствами системы управления отвалом и человека-оператора.
Ключевые слова: бульдозеры, производительность.
Бульдозеры являются одной из основных машин для производства земляных работ при строительстве зданий, сооружений и оснований автомобильных дорог.
В соответствии с основным назначением, которое заключается в послойной разработке грунта и его транспортировании на небольшие расстояния, бульдозер выполняет следующие основные операции: зарезание и набор грунта перед отвалом, перемещение его к месту разгрузки, разгрузка и возвращение на холостом ходу к точке начала работы.
Производительность бульдозера при выполнении указанных операций рабочего цикла будет зависеть от его конструктивных параметров - длины и ширины отвала, его формы, и технических характеристик - веса, мощности двигателя, типов трансмиссии и движителя, скоростей движения и др.
В настоящее время основным путем повышения производительности бульдозеров является совершенствование конструкции их рабочих органов - отвалов [1-4]. Новые конструкции отвалов позволяют либо увеличить объем набираемой ими призмы волочения, либо сократить потери грунта в боковые валики при его транспортировании, или все это вместе [1-4].
Однако производительность бульдозера, как и любой машины периодического действия, определяется не только объемом выработанной продукции, но и временем ее создания, т. е. временем рабочего цикла.
В соответствии со сказанным техническая производительность бульдозера при копании и перемещении грунта по челночной схеме работы определяется по формуле [5-9], м3/ч:
3600УПКу
Пт =-, (1)
'д
где Уц - объем призмы волочения, м3; Ку - коэффициент, учитывающий влияние уклона местности на производительность бульдозера; /ц - продолжительность рабочего цикла, с.
Объем призмы волочения, м3 равен [5, 7, 8]:
ВО • ЯО • (1 - е)
УП =_°-^-1 (2)
Ц 2 Кр •
где Во , Но - ширина и высота отвала бульдозера, м; е - коэффициент, учитывающий потери грунта при транспортировании (для несвязных грунтов е = 0,06 ... 0,07 , для связных е = 0,025 ... 0,032 на каждые 10 м перемещения) [5, 7, 8]; Кр - коэффициент разрыхления грунта при копании, Кр = 1,08... 1,32 ; а - угол естественного от-
коса перемещаемого грунта, а = 30... 40° Время рабочего цикла, с:
/ц = ^ + ^ + ^ + /о , (3)
Ук Уп Ух
где ¿к - длина пути копания (зарезания и набора) грунта, м; Ьц - длина пути перемещения грунта, м; Ьх = ¿к + Ьц - длина пути холостого хода бульдозера, м; ук, Уп, Ух - средняя скорость движения бульдозера соответственно при копании, перемещении и холостом ходу, м/с; /о - время остановок в начале и конце рабочего хода /о = 8 с [5, 7].
В тяговом режиме при копании грунта скорость движения гусеничного бульдозера Ук примерно на 20 % ниже рабочей скорости на первой передаче Ур! [5-8].
Таким образом, производительность бульдозера будет определяться величиной объема призмы волочения доставленной к месту разгрузки и временем цикла работы.
Рассмотрим влияние технических характеристик бульдозера на время цикла его работы, а, следовательно, и его производительность, при копании и перемещении грунта по челночной схеме.
Для проведения аналитических исследований примем следующие значения технических характеристик средних бульдозеров (тяговый класс гусеничных тракторов 10, 15 тс) [5, 7, 10, 11].
Скорость на первой рабочей передаче: Ур! = 0,35___1,1 м/с, Ур!ср и 0,73 м/с. Скорость движения бульдозера при перемещении грунта: Уп = 1,25_ 1,7 м/с, Уп и 1,46 м/с. Скорость движения бульдозера на холостом
сР
ходу: ух = 0,9 _ 2,6 , ух и 1,75 м/с. Время остановок в начале и конце рабочего хода 1о = 8 с. ср
В соответствии с формулой (1) для повышения производительности бульдозера необходимо минимизировать время цикла его работы.
Проанализируем влияние на общую структуру времени цикла его отдельных составляющих. Первые три составляющих (формула (3)) представляют собой время выполнения рабочих операций и холостого хода. Они равны отношению пути, на котором выполняется данная операция к скорости ее выполнения. Четвертая составляющая - это время выполнения вспомогательных операций, т. е. время остановок в начале и в конце рабочего хода [5, 7].
Величины первой и четвертой составляющих времени цикла не зависят от дальности перемещения грунта. Определим их вклад в общее значение времени цикла работы бульдозера, равный отношению времени этой составляющей к общему времени цикла.
Значения величин долей (относительных величин) первой и четвертой составляющих представлены на
рис. 1.
% 60
40
30
20
10
\
1
ч2
тЧ и
0 20 40 60 80 ¿п, м
Рис. 1. Графики зависимостей относительных величин составляющих времени копания грунта Лк и остановок в начале и конце рабочего хода Ло в общем времени цикла работыг бульдозера:
1 - Лк при Ур! = 0,35 м/с; 2 - Лк при Ур! = 1,1 м/с; 3 - Ло при (о = 8 с
Из анализа представленных графических зависимостей видно, что время копания грунта ¿к и время остановок tо составляют значительные величины (20...30 %) в общем времени цикла tц только при малых дальностях
перемещения грунта ( Ьд = 10 _ 40 м). При больших дальностях перемещения (¿д = 60 _ 100 м) их вклад уменьшается более чем в три раза.
Снижение скорости 1-й рабочей передачи, а, следовательно, и средней скорости копания грунта в 3,1 раза (с 1,1 до 0,35 м/с) приводит к увеличению в два раза (с 24 % до 50 %) при дальности перемещения грунта ¿П = 10 м, что является очень значимым.
Значения второй и третьей составляющих времени рабочего цикла зависят от дальности транспортировки грунта, а, соответственно, от пути холостого хода и средних скоростей движения бульдозера на этих операциях.
Перемещение вырезанного грунта бульдозером, как правило, осуществляется на 2-й или 3-й рабочих передачах со скоростью до 1,5 м/с. Величина скорости перемещения грунта ограничивается динамическими свойствами системы управления отвалом и человека-оператора [4]. Повысить скорость движения бульдозера при перемещении грунта возможно за счет установки системы автоматического управления рабочим органом.
Средняя скорость холостого хода зависит от типа подвески ходовой системы трактора. Для гусеничного трактора максимальная скорость заднего хода, как правило, не превышает 1,6 м/с при полужесткой балансирной подвеске и 2,6 м/с - при эластичной [5, 7].
Значения относительных величин составляющих времени цикла на перемещение грунта Жа и холостого хода представлены на рис. 2.
% % йО
50
40
30
20
10
3
1 ___—
/ / Х 2 / 3-
/ / ■-
/
20
40
60
ко
£п>м
Рис. 2. Графики зависимостей относительных величин составляющих времени перемещения грунта й/п
и холостого хода Жх в общем времени цикла работыг бульдозера: 1 - й/п при уп = 1,25 м/с;
2 - й/п при уп = 1,7 м/с; 3 - й/х при ух = 0,9 м/с; 4 - й/х при ух = 2,6 м/с
Из анализа представленных графических зависимостей видно, что малая величина скорости заднего хода (ух < 1 м/с) приводит к увеличению доли времени холостого хода 40...50 % при дальности перемещения грунта менее 30 м. Это свидетельствует о неэффективности использования бульдозеров с ух < 1 м/с.
Доля составляющей холостого хода й1х при увеличении дальности транспортирования грунта с 10 до 100 м (для ух = 2,6 м/с) увеличивается с 20 % до 32 %, т. е. 1,6 раза, а доля составляющей перемещения грунта йгп - с 19 % до 46 %, т. е. в 2,4 раза.
Таким образом, интенсивность увеличения составляющей времени перемещения грунта в 1,5 раза выше увеличения составляющей времени холостого хода.
В связи с этим представляет интерес рассмотрение баланса составляющих времени цикла работы бульдозера при средних значениях скоростей его движения на всех составляющих цикла.
На рис. 3 представлен баланс составляющих времени цикла работы бульдозера для различных дальностей перемещения грунта.
¿//;, % 1001
60
40
20
... ' • • ■. А
\
ШШШ-
V. г
О 20 40 би 80 ¿П' М
Рис. 3. Баланс составляющих времени цикла работы бульдозера
Из анализа представленного баланса видно, что при дальности транспортирования грунта Ьд = 10 м основную долю времени цикла занимает время копания грунта й/к = 32 % , затем холостой ход й/х = 26 % и оставшаяся доля приходится примерно поровну на время перемещения &а и остановок &о - по 20 %.
При дальности Ьд = 20... 30 м основные доли времени цикла (примерно по 30 %) будут у времени холостого хода й1х и перемещения грунта &а , а доля времени копания йк составляет примерно 20 %.
При дальностях перемещения ¿д = 80.100 м основные доли времени цикла также будут у й1х и й/п , но уже около 40%, доли й/к и й/о уменьшатся до 6.. .8 %.
536
Таким образом, можно сделать следующие выводы.
1. Для повышения производительности бульдозеров необходимо не только совершенствовать конструкцию рабочего органа, но и улучшать их технические характеристики, позволяющие сократить время цикла их работы.
2. Величины составляющих цикла работы бульдозера существенно зависят от дальности транспортировки
грунта.
3. Время копания грунта, определяемое совершенством рабочего органа и энергонасыщенностью базового трактора, оказывает значимое влияние на общее время цикла работы только при небольших дальностях перемещения грунта (до 30 м).
4. При дальностях перемещения грунта более 30 м основное влияние на общее время цикла оказывают время транспортировки грунта и время холостого хода.
5. Наибольшим потенциалом по снижению времени цикла работы бульдозера имеет составляющая времени транспортирования грунта, определяемая скоростью движения бульдозера на этой операции, которая ограничивается динамическими свойствами системы управления отвалом и человека-оператора. Повысить скорость движения бульдозера на этой операции возможно за счет автоматизации системы управления рабочим органом.
Список литературы
1. Курилов Е.В., Трошин Д.И. Транспортирующие свойства отвала бульдозера // Механизация строительства. 2013. №12. С. 59-61.
2. Курилов Е.В., Трошин Д.И. Повышение эффективности бульдозерных отвалов // Строительные и дорожные машины. 2014. № 9. С. 9-12.
3. Патент 2726757 РФ. Отвал бульдозера / В.А. Нилов, М.М. Володин, А.В. Пенин, А.А. Левченко. Опубл. 15.07.2020. Бюл. № 20.
4. Баловнев В.И., Данилов Р.Г. Система регулирования глубины резания грунтов // Строительные и дорожные машины. 2014. № 1. С. 48-51.
5. Кудрявцев Е.М. Строительные машины и оборудование: Учебник. М.: АСВ, 2012. 328 с.
6. Жулай В.А. Строительные машины: сб. расч. работ: учеб. пособие. Воронеж: ВГТУ, 2017. 100 с.
7. Строительные машины: Справочник: В 2 т. Т. 1: Машины для строительства промышленных, гражданских сооружений и дорог / Под общ. ред. Э.Н. Кузина. М.: Машиностроение, 1991. 496 с.
8. Гусев С.А. Расчет производительности тракторного агрегата // Строительные и дорожные машины. 2014. № 1. С. 6-11.
9. Жулай В.А. О производительности землеройно-транспортных машин // Строительные и дорожные машины. 2013. № 3. С. 37-38.
10. Жулай В.А. Куприн Н.П. Строительные, дорожные машины и оборудование: справочное пособие. Воронеж: Воронежский ГАСУ, 2015. 98 с.
11. Технологические машины и комплексы в дорожном строительстве (производственная и техническая эксплуатация): Учеб. пособие / Под ред. В.Б. Пермякова. М.: ИД «БАСТЕТ», 2014. 752 с.
Жулай Владимир Алексеевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, zhulai@cchgeu. ru, Россия, Воронеж, Воронежский государственный технический университет,
Тюнин Виталий Леонидович, канд. техн. наук, доцент, декан факультета, [email protected], Россия, Воронеж, Воронежский государственный технический университет,
Щиенко Алексей Николаевич, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Воронеж, Воронежский государственный технический университет
INFLUENCE OF TECHNICAL CHARACTERISTICS OF A BULLDOZER ON ITS PRODUCTIVITY
V.A. Zhulai, V.L. Tyunin, A.N. Shchienko
The problem of determining the influence of the technical characteristics of a bulldozer on the cycle time of its operation, and, consequently, its productivity, when digging and moving soil using a shuttle pattern is considered. The productivity of a bulldozer, like any periodic machine, is determined not only by the volume of products produced, but also by the time of its creation, i.e. work cycle time. An analysis of the influence of its individual components on the total cycle time was carried out. To conduct analytical studies, the values of the technical characteristics of medium-sized bulldozers (traction class of crawler tractors 10, 15 tf). As a result of the conducted analytical researches it has been established: the values of components of the bulldozer work cycle essentially depend on the distance of soil transportation; the time of digging the soil, determined by the perfection of the working body and energy content of the basic tractor, has a significant influence on the general time of the work cycle only at small distances of soil movement (up to 30 m), at distances of soil movement more than 30 m the main influence on the general time of the cycle have the time of soil transportation and idling time; the greatest sweat of the cycle is the time of soil transportation and idling time
Key words: bulldozers, productivity.
Zhulai Vladimir Alexeyevich, doctor of technical sciences, professor, head of the chair, zhulai@cchgeu. ru, Russia, Voronezh, Voronezh State Technical University,
Tyunin Vitaliy Leonidovich, candidate of technical sciences, docent, dean of the faculty, tuninvl@yandex. ru, Russia, Voronezh, Voronezh State Technical University,
Shchienko Alexey Nikolaevich, candidate of technical sciences, docent, a. n. shienko@mail. ru, Russia, Voronezh, Voronezh State Technical University
