Землеройно-транспортные машины - часть 2

140    БУЛЬДОЗЕРЫ
Рис. 76. Схемы и эпюры для расчета навесного оборудования бульдозера
с неповоротным отвалом:
а — расчетная схема, б — схема основной системы, в — эпюра изгибающих моментов азг от силы Р* ..г — эпюра изгибающих моментов от силы Xi при Xi=l, д — эпюра
.Гг'дуД У
изгибающих моментов от силы Хг при Хг=\, е — эпюра изгибающих моментов статически неопределенной системы, ж — эпюра продольных сил в статически неопределенной системе
Кроме того, на систему действуют моменты (рис. 76, а)
M1 = Ppac4h1nM2=2SrCoslh2.    (5.23)
Схема основной системы, получаемой после удаления лишних связей и замены их неизвестными усилиями, представлена на рис. 76, в. Так как система и нагрузки симметричны, то для ее раскрытия необходимо решить систему канонических уравнений с двумя неизвестными.
Канонические уравнения имеют следующий общий вид:
^1 ^11 + ^12 + ^1р — 0'> |
•^1 ^21 + ^2 ^22 + &2р = 0, J
где Х\ и Х2 ■—неизвестные усилия, определяемые при решении приведенной системы уравнений; бл и 622 — перемещения по направлению этих неизвестных от самих неизвестных, равных по величине единице;
612 и 621 — перемещения по направлению одного лишнего неизвестного от действия второго единичной величины;
Aip и Агр — перемещения по направлению соответственно первого и второго неизвестного от нагрузки. Для определения этих перемещений находим реакции в опорах в основной системе от действия внешних нагрузок и от введенных нами неизвестных Х\ и Х%, равных единице.
Реакции от внешних нагрузок
ЕМД = 0; RyAU- Рра^ ■ = 0;    =    (5.24)
/    / Р' 1
ЪМС = 0; RyA-± — RxA 1г = 0■ Rxa = Rxb= -±L=    . (5.25)
2    2/j    4/j
Реакции от сил Х\ = 1
£Мв = 0; RyAl2- 1 + 1=0; RyA = RyB = 0; (5.26)
ЪМС = 0; RxAlx - 1 - 0; RXA = -j- .    (5.27) h
Реакции от сил ^=1
Ra, в — 0; Ra, в = 0.
Величины изгибающих моментов от внешних нагрузок и от сил Xi и Х2 в различных элементах конструкции будут; от внешней нагрузки
МА=МВ=МС = 0; Мк == Ra 1г ;
ОТ СИЛ Х\ = 1
МА = Мв = 0; Mk = Мс = 1;    (5.28)
от сил Х2 = 1
МА = MB = MD =МЕ = МС= 1; = /3 sin 9. (5.29)
Эпюры этих изгибающих моментов показаны на рис. 76, в, г, д, е. Величины перемещений могут быть определены методом
Верещагина.
Рис. 77. Схема сил, действующих на отвал в вертикальной плоскости
После подстановки полученных значений перемещений в канонические уравнения получим величины' неизвестных сил Х\ и Х2. Умножив эти величины на ординаты эпюр, полученных от действия сил Х\ и Х2, принятых равными единице, и сложив эти ординаты с ординатами эпюр, полученных от дей-действия сил Ррасч, получим эпюру изгибающих моментов статически неопределенной системы (рис. 76, з). Чтобы найти величину фактических реакций (с учетом действительных значений Х\ и Х2), умножим ранее полученные значения реакции опор от действия сил Х\ = \ и ^2=1 на значения Xi и Х2 и найденные величины этих реакций сложим со значениями реакций опор, полученных от силы Ррас„. Получаем фактическую реакцию стати- «    ГуХ г\Х    рйСЧ12 чески неопределенной системы; например, На =Rb =--— --и так далее. По полученным величинам действительных реакций могут быть построены эпюры поперечных сил (рис. 76,ж). Для того чтобы определить усилия в отдельных элементах конструкций, рассмотрим равновесие отвала, прикладывая к нему все внешние нагрузки, действующие в вертикальной плоскости, и определим при этом реакции в толкающих балках и подкосах. На отвал в вертикальной плоскости действуют следующие силы (рис. 77): 1)    вертикальная составляющая Pz, принимаемая обычно равной Рп или Р02 и определяемая по формулам (3.7) или (3.10); 2)    вертикальная составляющая от усилия гидроцилиндра Sг; 3)    моменты Mi и М2, определяемые по формуле (5.23). Для определения усилий Rm и Rn (рис. 77) от действия силовых факторов в вертикальной плоскости напишем уравнения моментов относительно точек тип: £ Мп — 0; Мг — М2 — Pzl 5 + 2Sr sin X l6 — Rm (h2 -f h3) — 0; М., — M-2 — Pz 1ц -4- 2Sr sin >. I,. -г йз (/i3 -f h3) cos 7
(5.30)
(5.31)
На подкосы действует только продольная сила Rn, следовательно, подкосы следует рассчитывать только на растяжение или сжатие. Пример 1. Расчет рамы бульдозера, смонтированного на тракторе С-100. Сила тяжести трактора с навесным оборудованием G6— = 13 530 /сГ= 135 кн. Коэффициент сцепления фтах=0,9. Скорость на 1 передаче 2,36 км/ч. Сила тяжести трактора GT = = 12 ООО кГ = 120 кн. Расчет ведем для случая, когда бульдозер встречает на пути кирпичный столб, шириной Ь = 65 см и площадью поперечного сечения /’’ = 3900 см2. Удар серединой отвала происходит на высоте 15 см от заделки столба. Принимаем, что Pz= 0 Статическое усилие р =G,о = 13530 • 0,9 12 180 кГ = 121 800 н. cm о тгпах    " > Динамическое усилие PUH = voVC0 m ; 0 " Cx+Ca ’ здесь С! — для нашего случая равно 18 150 кГ/см\ С2 = ф GA я; С2 = 1 • 12 000 к Г/см-, 2,36 / 13 530 • 7200
18 150 • 12 000 181'0+ 12 000

360 1/ 981
= 20 700 кГ = 207 000 н.
Таким образом, горизонтальное усилие Ррасч = 12 180 4- 20 700 = 32 880- кг = 328 800 н. Определяем усилия в шарнирах крепления рамы в вертикальной плоскости (рис. 76, а и 77). Усилие в гидроцилиндрах определяется из отношения (сумма моментов относительно оси А, В) с Ррасч!1! -32 880-200 ic/in г ic /inn =--2S = - 2~2000 ~ ~ 1640 КГ = “ 16400 Н- Вертикальные реакции в шарнирах А и В равны, так как Ррасч приложена в середине отвала и усилие 5 также расположено симметрично относительно этих шарниров: Д* = Rl = Srs inX = — 1640-0,588 = —950 кГ ^ —9500 к, где X=36°. В горизонтальной плоскости (см. рис. 76,6—ж) горизонтальные реакции в шарнирах А и В равны «-« = ^=-SrcosX = ^ + + 1620-0,809 ^ 17690 кГ = 176900 к; Р'раеч = Ррасч + 2&'г cos X = 32 880 + 2 • 1640 -0,809 = = 35 380 кГ = 353 800 н. Определим реакции опор    от внешней нагрузки в основной системе Е .М, 0;    y-PV, ' ■ 0; R,=R<=3b =    = ЮЗООкГ = 103000 н. А в 21г 2-2470 Определим реакции опор от сил Х\ = \ Е Мс = 0; Я/ • 2470 — 1,0 = 0; От сил Х2 реакции опор Ra,в =0. Определим в основной системе изгибающие моменты от внешней нагрузки Рсум и неизвестных сил Хи Х2: от внешней нагрузки М.а — Мг = Мс ~ О-, MK=RxA'Bl! = 10 300 -2,47 = 25 100кГл1^251 ООО нм, от единичных моментов Х\ М\ =М'В = 0; М'к = М'с= 1,0; от единичных сил Х2 М1А=М'в='М})=:Мк = Мс = 0; М\ = l3 sin 9 = 0,85-0,7 = 0,595. Чтобы определить неизвестные Хх и Х2, найдем величины перемещений: V EJ1 2 3 EJt 2 / /1 l3 sin f>{3    1 L sin 6/„ S12-o21=2(—.^0,9+ —-^1 5 =2f— •    — i sin 6 + _L . l*sin e/*. .A/sin \£/x 2    3    EJZ 2    3 л __c) /_!_ ^ JL . __L . Mk XP    \EJ1 2 ' 3 £/2 4 1
0,9M* +— • -"“'-Л*

1 /3sin0/3    1 LsinS/.
Момент инерции толкающих брусьев, изготовленных из уголков № 15,равен 15-153 1Ы13 jx =    = 2800 см4 = 28- 10~6ж4. Для определения величины перемещений необходимо знать момент инерции отвала J2 относительно главных осей. Как показали экспериментальные исследования, проведенные ВНИИ-Стройдормашем, в работе отвала участвует только его нижняя часть высотой порядка 0,3Н (или высоты нижней балки). Момент инерции нижней части отвала /2, подсчитанный для этого типа бульдозеров, равен J2 = 13 382 см4—1,3382 м4. Следовательно, отношение —1— =4,8. Вычисляем перемещейия бп = 2 ( — • - + — • — . \)= 1,646 + 0,591 = 2,237; \ 2 3 4,8 2 V 0,852.0,707 л п , 0,852-0,707 0 9 0,85^707 X 2-4.8 °2Х - °12 - ^ ^    2    '    2-4,8 = 0,453+ 0,105 = 0,558; о / 0,£04-0,85-0,707 , 0,504-0,85-0,707 \ А0,0 1г»=2(-i-+-м!-Г°'242; / 2,47-1,0 2 , 2,84-1,0 Л ( 2 ' 3 ' 4-4,8 ’ / X 25 100 = (— 1,646 + 0,295) • 25 100 - — 49 000; A2,=s—2 (^-0,9 +    х р    V 2    4,8-2 1,42/ X 25 100 = — (0,453 + 0,073) ■ 25 100 = — 13200. Вычисляем силы X, и Х2: 2,237Х, + 0,558Х2 — 49 000 = 0; Х2 = 9800; 0.558Л]. + 0,242Ха —13 200 = 0: Хг= 19 500. Теперь, умножив все ординаты эпюр от единичных сил на величины Х\ и Х2 и сложив эти ординаты с соответствующими ординатами эпюры Миз от силы Ррасч в основной системе, получим эпюру изгибающих моментов в статически неопределенной системе. Вычисленные реакции опор от сил Ii = l и Х2=1 также умножим на полученные значения Х\ и Х2\ геометрически складывая их с реакциями опор от сил Ррасч, ■ получим фактическое значение реакций опор. RX--=R* = 10 300 —=10 300 —8000 =2303 кГ = 23 000 н. -'! в    2,47 Строим эпюру поперечных сил Q. Чтобы определить усилия, действующие на отдельные элементы рамы, рассмотрим силы, действующие в вертикальной плоскости. Моменты М\ и М2: Mi = Pn„.uh, — 32 780-0,2 = 6550 кГм — 65 500 нм; -*•    pCtG-Ч JL М2 = 25гcosХАа = — 1640-0,809-0,39= —510 кГж=— 5100 нм. Сила, действующая вдоль толкающих брусьев: £ М, — Ма + 2S, sin Х/g _ 6550+ 510+ 2-1620-0,558-0,15 71    h2 + ht    ~    0,2 + 0,39 = 12200 кГ= 122 000 н. Сила, действующая вдоль подкоса: £    — Mj — 2SrsinX/6 _— 510 —6550 —2-1620-0,558-0,05 (A2 + /i3)cos7    , (0,59 + 0,1)0,5 = — 20 500 кГ = — 205 000 н. Расчет отвала Поскольку нагрузку на отвал воспринимает только нижняя часть отвала, рассчитывать на действующие нагрузки весь отвал нельзя, так как расчетные напряжения будут значительно ниже действительных. На сечение отвала действуют изгибающий момент Мизг, нормальная сила N и поперечная сила Q. Кроме того, на сечение отвала действует система сил и моментов в вертикальной плоскости. Напряжения определяются в середине пролета отвала, где действует максимальный изгибающий момент. Для этого изгибающий момент раскладывают на два составляющих момента: МУ = М cos фо, направленный вдоль оси х<), и Л1Х = .М sin фо, направленный вдоль оси г/о- По этим же осям раскладываются поперечные силы Q)r = Q cos ®0; Qx = Qsin <р0. Пример 2. Расчет отвала. Определяем моменты инерции сечения отвала. Координаты центра тяжести - Fi*i Хи т = - ■> у*.* = ту ■ Координаты центра тяжести сечения Хц. т . = 20,07 см = 0,2017 ж; уц. т . = 22,91 см = 0,2291 м. Обозначение эле гдадь Координаты ц. т. элемента мента на рис. 78 элемента в см2 Обозначение элемента на рис. 78 Координаты ц. т. хг. F. i i Определяем моменты инерции сечения относительно осей х /• Рис. 78. Сечение отвала бульдозера
И у.
После подсчета имеем Jx = 39673 см4; ]у = 23 120 см*; Jxу — 16 002 см4’. Угол наклона главных осей 2 Jrv    16002-2 -1,93;
23 120 — 39 673 ср0 = 62°40'. /у — J х
Максимальный и минимальный главные моменты инерции J х~\- J ч •W = ^p + 18015 = 33 397 + 18015 =49412 сж4; /mtn = 31 397— 18 015 = 13 382 см*. Нормальные напряжения могут быть определены по следующей зависимости: 0= +^ + ^ + 5^ F J х J у где хну — координаты точки сечения, в котором находятся напряжения относительно осей хо и у0. Напряжение в ц. т. элемента № 4 сечения _ 2300 25 100 • 0,888 ■ 9,5 • 102 25 100 • 0,47 ■ 12 • 10* _ ° _ 204    39 673    23 120    ~ = 11,5 + 540 + 620 = 117 120 к«/ж2 = 11-71 кГ/см* < [о]. Напряжение в ц. т. сечения элемента № 1: *=17,7; у= 12 _ 2300 , 25 100 • 0,881 • 12 • 10» + 25 100 — 0,47 • 17,7 • 10* = ~ 204    39 673    23 120 = 11,5 -f 900 + 910 = 1822 кГ/см2 = 182 200 кн}мг > [о]. Приближенно толщина лобового листа Д может приниматься в зависимости от тягового усилия бульдозера TH,g следующей: Т н б в КН. Более 250 Д в мм § 7. УСТОЙЧИВОСТЬ БУЛЬДОЗЕРА Для расчета устойчивости бульдозера рассмотрим следующие условия. Если на отвал бульдозера, кроме статических сил, направленных горизонтально, действует еще и вертикальная составляю- щая Pz, направленная вверх и препятствующая его вертикальному заглублению, то при определенных усилиях, развиваемых гидравлической системой, трактор может опрокинуться вокруг точки А' (рис. 79), вывешиваясь на отвале. В этом случае величина горизонтальной статической силы„ развиваемой тягачом, Рс уменьшается: P'C = (G6-PZ) cpmax.    (5.32) Если отвал встречает препятствие, мешающее его вертикальному выглублению, то, кроме статических сил, направленных горизонтально, возникает вертикальная сила Рх, направленная вниз. В этом случае возможно опрокидывание трактора вокруг точки Б. Статическая горизонтальная сила, развиваемая тягачом, будет несколько больше: Рс = {Gg Рг) ?шах-    (5. 33) Так как бульдозер часто работает на косогорах, то коэффициент устойчивости kycm для бульдозера принимается значительно выше (kycm=l,5), чем для кранов, экскаваторов и других строительных машин. Помимо коэффициента устойчивости необходимо определить усилия, развиваемые гидроцилиндром, при которых имеет место отрыв тягача в точке Б. Эти условия для бульдозера являются исходными при расчете на устойчивость. Коэффициент устойчивости может быть определен из следующей зависимости (рис. 79): MyQ    Ggl3 + 2 Ra т kycm = -Гг- =-- >    (5'34> мопр 2Sr1 + Rza /4 где Ra и Ra — силы, действующие на трактор в местах крепления рамы к трактору. Эти силы равны по величине реакциям толкающих балок на трактор с обратным знаком. Чтобы определить реакции в толкающих балках Ra =—Ra hRa=—Ra, определим величины реакций из условий равновесия. Сумма проекций на ось у и ось г будет равна Pv -fL 2S sin p 2У = 0; Pc + 2S sin p — 2RyA = 0; R«A^ J—- 1 (5.35) J’hc. 79. Схема сил, действующих па бульдозер Ez = 0; —Q — Pz — G! — Gp + 2Scos$—2Ra = 0; . 2S cos p — G„ — Gs — Q — Pa Ra =---% - .    (5.36) Чтобы определить, какое усилие S может развивать гидравлический цилиндр, подставим указанные значения в формулу (5.34), получим $бк + т (Ру + 2S sin Р) — kycn ~ 2Srt + U (2S cos р - Gp — Gz — Q — Pz) ’    '(5-37) 2S (r1kycm + /4feycm COS P) — Ukycm (Gp + Gz + Q -H Pz) = = (Gzk + у«1Р,)+«Й Sin P, откуда Gzh + ~Z~ mPy + hkycm (Gp + + Q + ^z) 5 -----—---• (5.38) 2 (/"lkycm + — hkycm COS p) — m sin p Определяем усилие S', необходимое для подъема отвала. Наиболее тяжелыми условиями при подъеме отвала являются усилия, когда нож начинает выглубляться и при этом трактор продолжает двигаться. При подъеме отвала необходимо преодолеть моменты сопротивления от следующих сил (рис. 79): Gp ■— силы тяжести рабочего органа; Gr — силы тяжести грунта; Рс — горизонтальной силы; Q —силы трения грунта, поднимаемого вместе с отвалом, о грунт, остающийся в призме волочения. Рг — вертикальная составляющая силы резания Приближенно величина Q равна №2/2; это близко к действительности для условий, когда отвал поднимается во время движения бульдозера. Сила S' может быть определена из условий равновесия системы (рис. 79) тА = Рс т + Pzl.2 + Ql2 + Gzlt + Gpl0 — 2S'r - 0; Pcm + Pzh + Qh + <Vi + Gla    (5 39) Если S'>S, то по формуле (5.37) определяем фактическое значение kycm. § 8. ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ БУЛЬДОЗЕРА Производительность бульдозеров в значительной степени зависит от способа работы. Если бульдозер работает под уклон, то значительно повышается сила тяги, уменьшается сопротивление перемещению грунта, увеличивается объем грунта, перемещаемого отвалом. При работе на подъем происходят обратные явления. При 10%-ном подъеме производительное!о, например, уменьшается на 40—50%. О.Б-1,0
03-0,8 145-0,7! 1,0-15 Ц5 1,0 0,3 1,0-1,5 0jB-0L7
im Рис. 80. Схема заглубления отвала при снятии стружки
в)
По мере срезания слоя грунта и увеличения призмы волочения возрастает сопротивление перемещению бульдозера. Чтобы полностью использовать силу тяги бульдозера, не рекомендуется врезаться на постоянную глубину (рис. 80,а), целесообразнее в начале работы заглублять отвал на большую глубину, чем в конце цикла срезания (рис. 80, б, е), т. е. толщина стружки должна быть переменной. При работе под уклон можно срезать стружку постоянного сечения на всем пути набора грунта, так как в результате работы под уклон появляется запас тяги, поскольку сопротивление перемещению грунта впереди отвала (так же, как и перемещение самого тягача) значительно меньше, чем при работе по горизонтали или на подъем. Обычно путь, за который бульдозер набирает грунт впереди отвала, составляет 5—7 м. Заглубление отвала и срезание грунта происходит на первой или второй передачах. Эффективная работа в значительной степени зависит от режима перемещения. Обычно перемещают грунт на первой — третьей передачах. Чтобы уменьшить осыпание грунта по бокам отвала, лучше всего вести перемещение по траншее глубиной до 0,6 м, получаемой при нескольких проходах бульдозера (высота валиков при этом достигает 0,20—0,25 м), по одному и тому же месту так, чтобы грунт, осыпающийся по бокам отвала в виде валиков, после нескольких проходов образовывал как бы коридор. Производительность возрастает, если одновременно работают два спаренных бульдозера, устанавливаемые один от другого на расстоянии 0,25—0,30 м для грунтов I и II групп и до 0,50 м для грунтов III группы. При такой работе почти в 2 раза уменьшаются потери грунта и фактически увеличивается ширина захвата, поскольку к суммарной длине двух отвалов прибавляется ширина расстояния между ними. В результате производительность увеличивается на 10—15%. Для повышения производительности применяется также способ перемещения грунта в два или три этапа, когда разрабатываемый грунт перемещается сначала на половину пути или нз одну треть, накапливается на этом промежуточном этапе до объема 100—200 .м3, а затем перемещается дальше. При таком способе грунт меньше теряется; производительность при этом возрастает на 5—10%. Значительное время цикла работы занимает холостой ход. Поэтому при сравнительно малых расстояниях транспортирования (30—50 м) холостой ход целесообразно производить на максимальной скорости хода назад, выигрывая при этом время, которое шло бы на разворот трактора. При больших расстояниях холостой ход производят при ходе вперед. В зависимости от вида работ производительность определяют так. При резании и перемещении грунта 3600V (pkekyKJl /7 =-1—-—м3/ч,    (5.40) где ke — коэффициент использования бульдозера по времени (обычно ke = 0,854-0,9); кукл —коэффициент, учитывающий, работает бульдозер лод уклон или на подъем; при уклоне от 0 до 15% k./Kl меняется от 1 до 2,25; при подъеме от 0 до 15% kyK l меняется от 1 до 0 5; Тч—продолжительность цикла в сек 7'„ = ^+-^- + £+/, + ,„+»„,    (5.41) где vp, vn и и0—скорости трактора при резании, перемещении грунта и обратном ходе, м/сек; Ip, In и 10—длина пути резания, перемещения грунта и обратного хода бульдозера в м; fc — время на переключение передачи (около 5 сек); t0 — время на опускание отвала (1,5—2,5 сек)-, in — время на поворот трактора (около 10 сек); Уф определяется по зависимости (5.8). При планировочных работах Л = ■■-°-°-f-(L sin (pJ ~~ ь> кя муч, -    "$.42) п (l/vp + tn) где    I —длина планируемого участка; Ъ — часть ширины пройденной полосы, перекрываемой при последующем смежном проходе (обычно b = 0,3 н- 0,5 м); п—; число проходов по одному месту (п —1-^2 прохода) ; vp — рабочая скорость. При планировании площадей длиной 30—40 м целесообразно работать без разворота трактора, что значительно экономит время поворотаtn. Пример 1, Расчет производительности бульдозера (на базе трактора С-100) при резании и перемещении грунта. Исходные данные: длина отвала L — 4,3 м; высота отвала Я = 1,2 м; скорость при резании t»p = 0,3 м/сек; скорость перемещения грунта v „ = 0,6 м/сек; скорость обратного хода v0 = 1,5 м/сек-, длина перемещения грунта /„ =20 м; глубина резания 0,15 м. Работа происходит без уклона. Решение. Принимаем коэффициент использования бульдозера по времени ks =0,85; коэффициент уклона kyCm= 1,0; коэффициент ku зависящий от отношения —, равный 0,9; 1Р = 6 м; 1С = Ъ сек; i0 = 2 сек; tn= 10 сек. Объем призмы волочения „ L№ 4,3.1,5 = 3,44 м3 v 2kx 2-0,9 Продолжительность цикла 1п г + A__i<L + ^ + *0 + 2^ = 4 Vp 1 V п    v0 + + i*L + 5+2 + 20- 97,6 се/с. 0,3 0,6 1,5 Производительность бульдозера определяем по формуле (5.40): ЗбООУ^Мукл 3600-3,44 0,85-1 1по ,, Я--г--=-^-= 108 м?/ч. В действительности производительность будет несколько меньше, так как часть грунта осыпается по бокам отвала. В среднем можно принять, что на каждый метр пути перемещения потери составляют 2—3% (для связных грунтов). Пример 2. Расчет производительности бульдозера (на базе трактора С-100) при планировочных работах. Исходные данные: длина отвала L = 4,3 ж; длина планируемого участка / = 70 м; число проходов по одному месту п= 1; рабочая скорость vp = 0,7 м/сек. Решение. Производительность определяем по формуле (5.42): j-j_ 3600 /(L sin ф' — b) ke «(4'+<«) Эта формула справедлива при работе только с поворотным отвалом. Принимаем угол поворота отвала в плане <р/=45°; часть ширины пройденной полосы, перекрываемой при последующем смежном проходе, 6 = 0,4 м. Тогда производительность п 3600-70 (4,3-0,707 - 0,4)-0,85 5Ир ^ КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ V 1.    Начертите схему бульдозера. 2.    Перечислите работы, которые могут выполняться бульдозером. 3.    Опишите последовательность процессов, выполняемых бульдозером. 4.    Начертите конструкцию отвала. 5.    Перечислите основные геометрические и конструктивные параметры отвала и как они влияют на процесс работы. 6.    Перечислите силы, действующие на отвал и напишите зависимости для их определения. 7.    Опишите, как определяются динамические нагрузки. 8.    Вычертите конструкцию рамы бульдозера с неповоротным и поворотным отвалами и зависимости для .определения размеров рамы. 9.    Приведите схему расчета отвала бульдозера и зависимости для определения основных размеров отвала. 10.    Приведите основные зависимости для определения устойчивости бульдозера. 11.    Приведите схему управления отвалом бульдозера. \ 12.    Приведите основные зависимости для определения усилий, необходимых для подъема и опускания отвала. 13.    Приведите основные зависимости для определения производительности бульдозера. Г л ав a VI МАШИНЫ ДЛЯ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ РАБОТ § 1. РЫХЛИТЕЛИ1 Рыхлителем называется землеройная машина (рис. 81, я), представляющая собой прицепное или навесное оборудование к трактору, которая может разрушать грунт или горную породу, отделяя их от массива в виде крупных глыб или кусков. Рыхлители, как правило, применяются для рыхления таких грунтов, Рис. 81. Общий вид навесного рыхлителя и схема сил, действующих на зуб рыхлителя которые не могут быть разрушены экскаваторами, бульдозерами, скреперами, например грунтов III и IV групп. Применение рыхлителей позволяет использовать машины малой мощности для разработки прочных грунтов, а также повысить з 3—5 раз производительность более мощных машин, разрабатывающих такие грунты без предварительного рыхления. Стоимость разработки известняков с применением рыхлителей более чем в 2 раза ниже, чем при буровзрывном способе, а разработки песчаников — более чем в 3 раза. Применяемые в зарубежной практике специальные рыхлители на тракторах мощностью до 660 кет (900 л. с.) дают возможность разрыхлять каменистые и мерзлые грунты, что на 50% дешевле, чем разрабатывать такие грунты буровзрывным способом. Кроме рыхления грунтов и пород, рыхлители применяются также для удаления камней или пней, для взламывания дорсок*: ных покрытий при ремонте дорог. Различают рыхлители: общего назначения — для рыхления на глубину до 1,0 м и рыхлители специального назначения — для рыхления на глубину от 1 до 2 м. Кроме того, они могут быть прицепными и навесными. Наиболее рациональными являются навесные рыхлители, так как они более маневренны, обладают большей устойчивостью и для их заглубления используется часть силы тяжести тягача. Рыхлители могут классифицироваться как и бульдозеры (стр. 120) по мощности и тяговому усилию на такие же группы. Рыхлитель состоит из рабочего органа, подвески и системы управления. Рабочий орган рыхлителя В качестве рабочего органа рыхлителя служит зуб или несколько зубьев, стоящих рядом или уступами. Зубья разрушают грунты и породы не только впереди, но и по бокам зуба (рис. 81,6 и 82). Геометрические параметры зуба зависят от того, для разрушения каких грунтов или пород они предназначены. В зависимости от назначения рыхлителя, необходимой ширины и глубины рыхления, мощности и тягового усилия рыхлителя и физико-механических свойств грунта количество зубьев-и расстояние между ними может быть различное. Так, для легких рыхлителей это расстояние принимается равным 0,3—0,5 и при цяти зубьях и 0,8—1,O'.и при трех зубьях У средних рыхлителей расстояние между зубьями достигает 0,9— 3,3 м. У тяжелых и; сверхтяжелых рыхлителей применяют чаще три зуба с расстоянием до 1,4 м или один зуб. При очень трещиноватых породах применяются два зуба с расстоянием до 2,6 м. Зубья изготовляются коваными, реже литыми, и снабжаются наконечником из более износостойкого материала. Широкое применение получили следующие три типа зубьев: 1.    Прямые зубья (рис. 83, а). Такими зубьями можно рыхлить грунты на глубину больше 0,8 jи; кроме того, ими можно успешно рыхлить смерзшиеся грунты и слабые скальные породы на меньшую глубину. В последнее время прямым зубьям отдают предпочтение по сравнению с изогнутыми зубьями. 2.    Изогнутые зубья (рис. 83,б). Эти зубья применяются для рыхления тяжелых грунтов на глубину до 0,8 м, а также для работы в слабых скальных грунтах на'так называемой «разборной скале». Зубья легко заглубляются, при их заглублении возникают силы, отрывающие грунт от массива, что приводит ,,к отрыву больших объемов грунта и значительно снижает энергоемкость процесса. 3.    Специальные зубья с небольшим изгибом рабочей части (рис. 83, в). Они применяются для того, чтобы несколько облегчить заглубление зуба в начальный момент. Такой тип зубьев, как показали опыты, пригоден для рыхления различных грунтов и пород и является наиболее эффективным. На рис. 83. г, д, е приводятся конструкции зубьев современных рыхлителей, применяемых за рубежом, в табл. 16 — их основные данные. Таблица 16 Размеры зуба по рис. 83, <3 в см Размеры зуба по рис. 83 , е в см Научными сотрудниками ВНИИСтройдормаша т. Равинским и др. предложен для разрушения мерзлых грунтов зуб комбинированной формы — прямой с сильно отогнутым концом (рис. 84). Этот зуб в начальной стадии работы хорошо заглубляется в мерзлый грунт. Сечение зуба должно подбираться так, чтобы зуб выдерживал нагрузку, равную 1,5 Тсц тягача, приложенную к концу зуба. Обычно оно составляет от 0,07X0,3 до 0,1 Х0,4 м. В передней части зуба делаются скосы под углом 35—40° для уменьшения сопротивления грунта движению ножа. Угол рыхления 6 (т. е. угол резания) назначается в зависимости от физико-механических свойств разрабатываемого мате- 6 Н. Г. Домбровский, М. И. Гальперин риала. Для трещиноватых горных пород он составляет 35—45°. При рыхлении грунтов с включением валунов угол 6 должен увеличиваться. Угол б зависит также от угла заострения наконечника р, который делается обычно 20—30°, и величины заднего угла, который в рыхлителях должен быть не меньше 5°. Так как рыхлитель в начале работы приходится заглублять в грунт, поворачивая его вокруг оси крепления к раме или вместе с рамой, то величина заднего и переднего угла изменяется, а следовательно, не остается постоянной и величина угла резания. Для многих навесных рыхлителей угол рыхления в начале заглубления составляет 60—80°. В новых конструкциях обеспечиваете-; постоянство угла рыхления при заглублении (рис. 85, г). Вылет зубьев должен быть Рис. 84. Зуб конструкции ВНИИ- больше, чем максимальная Стройдормаша    глубина рыхления, на 0,1 —
0,3 м для того, чтобы рама могла проходить над разрыхляемым грунтом. Изменение вылета осуществляется путем перестановки зубьев, для чего в них имеются отверстия. Силы, действующие на рабочий орган 1. В направлении, нормальном к передней грани, действует сила сопротивления перемещению зуба N (рис. 81). В результате действия этой силы вдоль передней грани появляется сила Nf, где f—коэффициент трения между грунтом и сталью. Между силами N, Nf, Рoi и Рт р имеет место зависимость Р01 — A7 cos (90 — о) + /V/ cos о -г Р гр,    (6.1) где б — угол рыхления; Р01 = N (sin о + f cos 8) + Р тр.    (6.2) Величина Poi определяется по зависимости (3.9), в которой значение k\ находится экспериментальным путем. В результате упругого последействия грунта на площадку затупления зуба и составляющих от сил трения, возникающих при перемещении грунта вверх по зубу, действует составляющая Ро2- Она зависит от физико-механических свойств грунта, площадки затупления, геометрии рабочего органа. Сила Рог может быть направлена вверх и равна (ОД—0,3) Роь Определить величину kx при работе рыхлителей значительно сложнее, чем при обычном резании. Это объясняется тем, что в процессе рыхления грунты и породы разрушаются чаще всего не только по ширине зуба, но и по бокам. Степень разрушения грунта или породы по бокам зуба зависит в основном от физико-механических свойств грунта и от глубины рыхления. Скальные породы, особенно трещиноватые, разрушаются больше по бокам зуба, чем песчаные и супесчаные грунты; если же эти грунты влажные, то боковое разрушение незначительно. На рис. 81,6 схематически показано сечение канавки, а на рис. 82 — вид прореза в известняках после прохода"-рыхлителя. Как показали эксперименты А. А. Зеленина, М. И. Равин-ского, В. С. Заленского и других исследователей, высота прямоугольной части сечения реза для скальных пород, плотных глинистых и суглинистых грунтов и неоднородных грунтов с большим включением валунов составляет lU—!/б от общей высоты сечения реза. Чтобы определить усилия, возникающие при рыхлении, следует установить, какой объем грунта, разрушается резанием и какой объем разрушается отрывом. Но так как величина работы, затрачиваемой на отрыв грунта на единицу объема, невелика по сравнению с величиной работы, затрачиваемой на резание, то можно суммарное усилие считать по формуле (3.9), приняв величину с равной высоте прямоугольной части сечения реза. Если k\ условно отнести к прямоугольной площади F, равной произведению толщины зуба на глубину рыхления, то для предварительных расчетов можно принять kx равным значениям, указанным для лопат (стр. 103), увеличенным в 1,5—2 раза, больше для менее крепких пород. Удельное сопротивление копанию k\ можно определить исходя из общей площади сечения разрушаемого зубом грунта: кг = .    (6.3) Исследованиями, проведенными ВНИИСтройдормашем на разработке мерзлых тяжелых супесей, установлено, что значения коэффициента k\, полученные по формуле (6.3), в 2,5 — 3 раза меньше величин ki, подсчитанных по условной площади F. Если рыхление осуществляется несколькими зубьями, то суммарная сила резания будет равна не произведению количества зубьев п на усилие сопротивления резанию одного зуба Рр, а будет составлять 0,75—0,8 (Ррп), так как после прохода каждого зуба вокруг разрушенного этим зубом грунта остается напряженное состояние грунта, благодаря чему снижается общий расход энергии при работе несколькими рядом стоящими зубьями (при правильно выбранном шаге). Подвеска рамы рыхлителя на трактор Зубья могут крепиться при помощи рамы к корпусу заднего моста трактора (рис. 85, а) или к рамам гусеничной тележки (рис. 85,6). Рама рыхлителя может закрепляться «а тракторе по схеме трехточечной подвески (рис. 85, а, б, в). Применяются также четырехточечные крепления (рис. 85,г). При четырехточечной параллелограммной подвеске зуб рыхлителя сохраняет постоянный угол независимо от глубины рыхления. Зубья на раме могут закрепляться жестко или в поворотных кронштейнах. В последнем случае зуб может поворачиваться в двух взаимно перпендикулярных направлениях (рис. 85, виг). В транспортном положении рама с зубьями должна быть приподнята над грунтом на 0,3—0,5 м для легких рыхлителей, на 0,6—0,7 м для средних и больше 0,7 м для тяжелых. Расстояние L между зубьями и тягачом (вынос зубьев) должно быть таким, чтобы глыбы грунта не могли застревать в этом промежутке. Обычно L = (1,5 -2,0) Я,    (6.4) где Я — максимально возможное заглубление зубьев. Силы, действующие на рыхлитель По известным силам Ал и Р02 (рис. 81) может быть определена сила Рц, которую должен развивать гидроцилиндр для того, чтобы не происходило выглубления или замозаглубления зуба: Рц = (Р01Г 01 + *Vos) — •    (6.5) Величина Рц должна быть такой, чтобы можно было извлечь зуб из грунта. Расчет этой силы ведется из условий, при которых зуб встречает препятствие, мешающее ему выглубляться. В этом случае усилие не должно быть больше определенных заданных величин, которые отвечали бы условиям опрокидывания трактора относительно задней точки опоры. Рис. 85. Схемы рам и способы крепления зубьев к рамам Определение тягового усилия Тяговое усилие должно быть больше или равно сумме сопротивлений Рсум, действующих в направлении тягового усилия. Такими сопротивлениями являются: сопротивление рыхлению — Ли; сопротивление перемещению трактора Pnev = где Gt—сила тяжести трактора; f2 — коэффициент сопротивления перемещению трактора. В действительности сопротивление перемещению может быть больше, так как сцепной вес трактора может увеличиваться за счет вертикальной составляющей N2 и fN\ при угле резания 35— 45° Nz имеет значительную величину. Тяговое усилие рыхлителя по сцеплению Tcli также значительно больше, чем если его подсчитывать только ао силе тяжести рыхлителя, так как необходимо учитывать влияние Nz и fN: Тсц = (Gp ± Nz± f'VcosS)со,    (6.6) где Gp ■— сила тяжести рыхлителя; Nz — вертикальная составляющая от силы N\ fNz — вертикальная составляющая от силы трения, возникающей от перемещения грунта вверх по зубу. Производительность рыхлителя При работе рыхлителя в сочетании со скрепером схема движения рыхлителя должна быть такой же, как и скрепера. Следует выбирать схему с наиболее прямолинейными проходами и большими радиусами поворотов. При малых радиусах поворота приходится полностью выглублять зубья, что уменьшает производительность. На вязких и прочных грунтах, а также породах, трудно поддающихся рыхлению, приходится проходить для рыхления по одному и тому же месту два и более раз. Производительность рыхлителя п=тртш К    <6-7> где    vp — расчетная скорость движения рыхлителя в км/ч; b — ширина слоя, разрушаемого одним или несколькими зубьями, в м; ftp — глубина рыхления в jh; k — число проходов по одному месту. § 2. КУСТОРЕЗЫ Кусторез представляет собой навесное оборудование к трактору. Рабочим органом его является специальный отвал, который крепится к раме. Управление рабочим органом может быть гидравлическое и канатное. Кусторезом можно срезать кустарники и деревья (на уровне земли) за один или несколько проходов. За один проход можно -срезать деревья диаметром до Рис. 87. Схема сил, действующих на отвал без зубьев
0,3 м, а за несколько проходов — до 0,4 м. Рис. 86. Отвал с зубьями Рабочий орган кустореза (рис. 86 и 87) состоит из отвала, к которому крепится нож. Режущая кромка ножа выполняется гладкой или в виде пилы. Длина режущей кромки выбирается такой, чтобы за один проход можно было срезать дерево указанного выше диаметра. Нож имеет треугольную форму в плане, вследствие чего при движении кустореза вперед создается подача для срезания дерева. При работе кусторезу приходится преодолевать следующие сопротивления (рис. 87): 1) силу, направленную вдоль режущего лезвия, т. е. главное движение резания Рр; 2) силу, направленную по нормали к режущему лезвию Рп, т. е. усилие подачи. Эти силы стремятся сдвинуть и повернуть кусторез. Для расчетов принимается, что эти силы поворачивают кусторез вокруг центра тяжести. Для предотвращения этого поворота необходимо, чтобы момент сопротивления повороту Мсп — —GKf2a был больше, чем ов = Pnt 1 (Рр + Р тр) /г-    (6-8) здесь    Gк — сила тяжести кустореза; /г—коэффициент сцепления гусениц трактора с грунтом; а — ширина колеи гусеничного хода; 1\ и /2 — плечи действия сил. Если одновременно срезаются два дерева, то в этом случае или уравновешиваются силы, вызывающие поворот, или момент становится настолько малым, что он не может повернуть кусторез. При этом тяговое усилие может оказаться недостаточным для срезания одновременно двух деревьев. Для подъема ножа-кустореза требуется значительное усилие; оно может быть определено по следующей зависимости: РМ - ад',+ °Л .    (6-9) где G0 — сила тяжести отвала; Gp — сила тяжести рамы; 1Р — расстояние от оси поворота рамы и отвала до их центра тяжести; 1под — расстояние от оси подъемного полиспаста до оси поворота рамы. § 3. КОРЧЕВАТЕЛИ-СОБИРАТЕЛИ Такие, машины применяют при очистке строительных площадок для извлечения из почвы крупных камней и пней, кустарника и уборки мелких деревьев, срезанных кусторезами (рис, 88). Он представляет собой навесное оборудование к трактору, где рабочим органом является решетчатый отвал с зубьями, расположенными в нижней части. Отвал сваривается из вертикальных ребер и поперечных балок коробчатого сечения; спереди к ребрам приваривается лобовой лист. Отвал крепится к толкаюшей раме трактора. При расчете корчевателя-собирателя рассматриваются два условия работы: 1)    производится рыхление и корчевание кустарников и больших камней; 2)    производится только корчевание больших камней. В первом случае корчеватель преодолевает следующие сопротивления. 1. Сопротивление рыхлению грунта Р01 = (0,75 - 0,8) kjbnh,    (6.10) где k\—удельное сопротивление рыхлению; b — ширина зуба корчевателя; п — число зубьев; h — глубина рыхления. Если разрыхлению подвергается почва со значительным содержанием корней, то величина k\ будет отличаться от значений, обычно принимаемых при рыхлении грунтов. Исходя из Рис. 88. Рабочий орган корчевателя-собирателя экспериментальных данных, ее можно'принять для дерна и грунтов без корней равной 40—50 кн/м2, а для грунтов с большим содержанием корней — 100—200 кн/м2. 2. Сопротивление перемещению (волочению) камней, пней, кустарников по грунту. Оно подсчитывается так же, как сопротивление перемещению призмы волочения при работе бульдозера: Рпер ~ GJl , где    G2—сила тяжести перемещаемых отвалом камней, кустарников и т. п.; /1 — коэффициент сопротивления перемещению камней, кустарников и т. д. Величина этого коэффициента составляет 0,5—0,6 для камней и 0,4— 0,5 для кустарника и деревьев. 3. Сопротивление перемещению корчевателя Рпер. к = (Gmp + GH. о) (/2 ± i), где GmP — сила тяжести трактора; G н.о—сила тяжести навесного оборудования; fmp — коэффициент сопротивления движению трактора; i — уклон пути. Следовательно, общее сопротивление перемещению корчевателя при работе равно Реум = 01 + Рпер + Рпер. к) < Т[ц.    , (6. И) Корчеватели обычно работают на первой и второй передачах трактора. Для второго случая (когда корчеватель работает на корчевании больших камней) даже приближенно определить расчетным путем сопротивления невозможно, так как камни имеют различную конфигурацию и различное расположение центра тяжести, сила сцепления их с грунтом зависит от физико-механи-ческих свойств грунта, от глубины залегания и многих других факторов. Извлекать камень можно или напорным усилием, или предварительно подклинить его, а затем поднять. Вторым способом можно извлекать камни большого веса и находящиеся на значительной глубине. Однако для извлечения этим способом требуется больше времени. Производительность корчевателя-собирателя определить расчетным путем очень сложно и пока еще для этого нет достаточных данных. Можно пользоваться данными И. П. Бородачева, по которым часовая производительность при работе корчевателя на тяжелом суглинке с трактором С-100 составляет 80—90 пней диаметром 0,35—0,75 м или 18 м3 камней объемом 0,75—2 м3. Устойчивость корчевателя-собирателя определяется также, как бульдозера. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ VI 1. Начертите схему рыхлителя. 2. Вычертите рабочие органы рыхлителей для разработки разных грунтов и на разные глубины и опишите их отличие друг от друга. 3.    Опишите процесс разрушения грунтов и пород и приведите зависимости для определения сил, действующих на рабочий орган рыхлителя (на зубья). 4.    Вычертите схемы крепления зубьев к раме и схемы рам. 5.    Напишите зависимости, позволяющие определить силы, действующие рыхлителя. 6.    Приведите основные зависимости для определения тягового усилия рыхлителя. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 7.    Проведите зависимости для определения производительности рыхлителя. 171
8.    Начертите схему кустореза и его рабочих органов. 9.    Напишите основные зависимости, по которым рассчитывается устойчивое положение кустореза при работе, а также зависимости для определения усилий, необходимых для подъема ножа. 10.    Начертите схему корчевателя-собирателя. 11.    Напишите основные зависимости для определения усилий, действующих на корчеватель. Глава VII АВТОГРЕЙДЕРЫ § 1. КЛАССИФИКАЦИЯ И КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ Грейдер (рис. 89) является одной из основных машин, предназначенных для строительства дорог, а также для их содержания. С помощью грейдера профилируют земляное полотно, возводят насыпи высотой до 0,6 ж, перемещают и разравнивают грунт по дорожному полотну, планируют площадки, перемешивают добавки и строительные материалы с грунтом при содержании дорог и т. д. Грейдеры могут быть прицепными или самоходными (автогрейдеры). В последнее время получают развитие только автогрейдеры.    \ Основной работой автогрейдера является профилирован и дорог. Процесс работы в этом случае происходит следующим образом (рис. 90). Рабочий орган автогрейдера (отвал) устанавливается под углом s, внедряется в грунт и начинает его разрабатывать, перемещая его по направлению к середине дороги. После определенной длины прохода, которая выбирается в зависимости от профиля дороги и условий работы, автогрейдер переходит на другую сторону дороги и разрабатывает грунт в обратном направлении. При этом отвал должен быть повернут под углом в плане ф', чтобы вырезаемый грунт перемещался по направлению к оси дороги, образуя вдоль нее валик. Таких проходов может быть несколько, причем угол зарезания е, т. е. угол установки отвала в вертикальной плоскости, может оставаться постоянным или изменяться в зависимости от црофиля дороги. Затем производят разравнивание валика грунта, образовавшегося в процессе резания. Так как в процессе резания возникают значительно большие сопротивления, чем при разравнивании грунта, то чаще всего разравнивание производят после нескольких проходов. При большой ширине дорожного полотна для разравнивания требуется несколько проходов автогрейдера. При выполнении планировочных работ отвал устанавливают горизонтально, причем в зависимости от условий работы его поворачивают под различными углами ср'. При планировании И- я
S X fc *“ © о
5 2
со
СП
0    s К    га а    а к SS    к 1    га I    ш
5 I
л
Рис. 90. Процесс работы автогрейдера при 1. 3, 5, 8, 10 — зарезание, 2, 4, 6, 7, 9, // — перемещение; 12, 13 — отделка; профилировании грунтовой дороги: J4, J5 — разравнивание, 16 — окончательный профиль полотна дороги откосов отвал выносят в сторону и вверх и поворачивают под углом откоса. Можно пользоваться также специальным откосником, направленным под углом откоса вниз. В отличие от бульдозера отвал автогрейдера расположен не впереди, а между передними и задними колесами, что обеспечивает большую точность планирования. Это объясняется следующим. Чтобы осуществлять планирование при помощи буль Рис. 91. Схема планировки: а — колесным бульдозером, б — грейдером дозера, отвал приходится поднимать или опускать в зависимости от профиля местности. Для врезания в грунт при подъеме на бугор отвал необходимо опускать ниже обычного положения, а при спуске с бугра — поднимать выше обычного положения (рис. 91, а). Так как отвал бульдозера вынесен вперед, то при наклоне бульдозера вверх или вниз из-за неровностей почвы отвал поднимается или опускается значительно больше, чем сам бульдозер. При работе автогрейдера неровности почвы сказываются меньше (рис. 91,6), так как продольная база автогрейдера в несколько раз больше, чем у бульдозера, поэтому отвал, расположенный между колесами, при подъеме или опускании одного из колес автогрейдера перемещается не больше чем на половину высоты подъема колеса. Выпускаемые в настоящее время автогрейдеры разделяются на легкие — мощностью до 46,5 кет (63 л. с.), средние — до 74 кет (100 л. с.), тяжелые — до 117 кет (160 л. с.) и особо тяжелые— до 184 кет (250 л. с.). Более характерным параметром для классификации являлось бы номинальное тяговое усилие, пока что оно характеризуется косвенной величиной—массой автогрейдера. В зависимости от массы автогрейдеры делят на пять типов: Масса в m Легкие автогрейдеры применяют для мелкого ремонта грунтовых дорог. Для среднего ремонта дорог, а также для строительства дорог в грунтах до IV категории используют в основном средние автогрейдеры. Для больших объемов дорожных работ, строительства аэродромов, планирования больших площадей, а также при работе в тяжелых грунтах выгодней применять тяжелые автогрейдеры. Основные конструктивные особенности автогрейдеров определяются системой ходового оборудования, т. е. количеством колесных осей, количеством передних и задних управляемых осей, приводом рабочих органов и управлением поворотных колес. Автогрейдер состоит из силовой установки, рамы, трансмиссии, рабочих органов, ходовой части и механизмов управления. § 2. РАБОЧИЕ ОРГАНЫ Основными рабочими органами автогрейдера являются отвал и кирковщик. Параметрами, характеризующими отвал, являются те же данные, которые были рассмотрены в гл. V (бульдозеры) . Выбор основных параметров отвала В отличие от отвала бульдозера, основной задачей которого является отделить и переместить грунт, отвал автогрейдера должен вырезать стружку, выложить ее на краю забоя в виде валика, остающегося вне забоя после прохода автогрейдера. Это требование определяет длину отвала L. На рис. 92 показан отвал автогрейдера, вырезающий стружку сечением F. При установке отвала на угол в плане ф' грунт начнет перемещаться на край забоя и образующийся валик будет ссыпаться за пределы боковой поверхности ножа под углом естественного откоса ф. Чтобы грунт валика оставался вне сечения забоя, необходимо подобрать минимальную длину отвала вне сечения забоя /г, которая соответствовала бы предельным условиям формирования валика (предельное положение иа условия механики грунтов). При другой, меньшей длине k, грунт, ссыпаясь под углом естественного откоса, будет находиться впереди отвала на участке сечения забоя. Это условие выполняется, если площадь треугольника afb равна площади треугольника fee. с Рис. 92. Схемы расчета длины и высоты отвала: а — вырезание стружки отвалом, б — вид в плане Определить величины h, отвечающие этим условиям, аналитическим путем сложно, поэтому их определяют графическим способом. Графический метод заключается в следующем. По известной площади вырезаемой стружки F, коэффициенту рыхления Кр и углу естественного откоса ф строят треугольник поперечного сечения валика грунта aed (рис. 92). В точке / боковая сторона отвала cb пересекается со стороной треугольника ае. При перемещении точки f отвала в ту или другую сторону меняется величина /г. Всегда можно найти такое положение точки /, чтобы площадь треугольника afb была равна площади треугольника fee. Полная длина отвала L = Ji±h.t    (7.1) Величина —-— выбирается из условий работы; величина sin<p' "Г",аТ выбирается, как уже указывалось, из условий формирования валика грунта. Величина /2 зависит не только от угла ср, который для разных грунтов различен, но и от угла е. На рис. 93 как иллюстрация приводятся значения h в зависимости от F и е при постоянном значении <р. На существующих автогрейдерах длина отвалов делается равной 1,8; 2,7; 3,7 м. Высота отвала может быть найдена тем же способом, каким определялась длина отвала, так как при заданном значении угла естественного откоса ф и величины /2 при совмещении площадей abf и fee можно получить вполне определенную величину cb (см. рис. 92). Приближенно она может быть подсчитана по формуле (7.2) Рис. 94. Характер перемещения грунта перед отвалом в зависимости от угла ф'
cb = el — Н = ]/ 2F„ tg < Рис. 93. Значения h в зависимости от площади F при постоянной величине угла естественного откоса ф и различных углах е
где Fp—площадь поперечного сечения валика грунта, определяемая треугольником aed. Высота отвала выбирается из условий, чтобы можно было разместить весь объем грунта, вырезаемый ножом. Величина этого объема зависит от профиля самого отвала и от угла установки отвала в плане ф'. От профиля и угла ф' зависит также характер перемещения грунта впереди отвала. Чтобы правильно выбрать указанные параметры, следует рассмотреть траекторию и скорость движения грунта по ножу, процесс образования призмы волочения впереди отвала, а также процесс смешения материалов, находящихся впереди отвала, когда отвал работает как смеситель. На рис, 94 показан отвал /—/, повернутый под углом в плане ф'. При движении отвала в направлении стрелки v частица грунта А, находящаяся впереди отвала, оказывает сопротивление перемещению и давит на отвал с некоторой силой Ft, направленной перпендикулярно его поверхности. При этом отвал давит на частицу усилием Р, равным по величине силе Fx и противоположно направленным ей. Так как сила Р направлена под острым углом к направлению движения (оз=90 — <р'), то частица под действием силы Р одновременно перемещается по поверхности отвала. Если бы не было трения между частицей и отвалом, то частица А при перемещении отвала из положения I—/ в положение II—II переместилась бы из точки А в точку Я. Но так как при перемещении частицы возникают силы трения между отвалом и частицей, т. е. возникает сила трения РТрз, направленная вдоль отвала, то Р тр 3 — Pf- Эта сила направлена противоположно относительному движению частицы по -отвалу, поэтому траектория движения частицы отклонится от нормали к отвалу на угол у, т. е. при передвижении отвала из положения /—/ в положение II—// частица А переместится в точку D. Чтобы выбросить частицу за пределы отвала, необходимо отвал переместить в положение III—III. Угол у может быть определен из следующей зависимости: Подставив значения сил Р трз , получим tgTf = -^ = /- Так как f=igq>2, где фг — угол трения, то следует, что 7 = ?*•    (7-4) Эта зависимость справедлива для интервалов угла <pi = = (90° — ф2). Многие исследователи дают различные зависимости для определения угла у. Так, проф. Орнатский считает, что tgy = = —— ctg а, где /2 — коэффициент сопротивления перемещению / з+1 грунта по отвалу; а — угол захвата ножа в плане. Канд. техн. наук И. М. Эвентов считает, что tgy = = ctg а, где f' и f — соответственно коэффициенты трения грунта о грунт и грунта о металл. Эти зависимости недостаточно обоснованы. Приведенный выше вывод [формула (7.3)] для получения значения угла у, сделанный канд. техн. наук И. В. Шатовым, является более достоверным и проверен экспериментами. Из полученных зависимостей может быть найдена величина перемещения отвала S (рис. 94), при котором грунт будет ссыпаться с отвала. Эти зависимости позволяют определить также высоту отвала, необходимую для размещения накопленного перед ножом грунта. К. П. Севров предложил для этого следующую методику. Если впереди отвала находится валик грунта с площадью поперечного сечения F, то впереди отвала должен разместиться объем V = FS.    (7.5) Длина S, при которой частица грунта, находящаяся в точке А, будет сваливаться в точке В1(рис. 94), может быть определена из следующей зависимости: S ~ L-£££!_.    (7.6) cos (т + ?') Подставив в формулу (7.5) значение S, получим V    = FL ——. cos (г -f q>') Объем грунта впереди отвала может быть выражен также следующей зависимостью: V    = F'L = ,    (7.7) 2 tg <р где F'—площадь поперечного сечения валика грунта перед ножом; к— коэффициент, учитывающий форму призмы волочения в зависимости от угла резания, скорости движения ножа и свойств грунта; величина k принимается равной примерно 2. Приравняв V'=V, получим pj^ cos у _ H2Lk cos (7 -j- ф') 2 tg <p откуда H = i/2f COSTtg(p. .    (7.8> у kcos (t + <tr) Если принять ф/=40°, ф=34°, у=2£>° и k = 2, то по формуле (7.8) высота отвала Н получится приближенно равной Н=\,ПУТ.    (7.9> Если отвал перемещает слой материала высотой h, то высота отвала приближенно равна Н= 0,68}/1/г + /г. Высота отвалов автогрейдеров значительно меньше высоты-отвалов бульдозеров. Пример. Определение высоты отвала автогрейдера различными методами. Исходные данные: угол естественного откоса ф = 34°; угол установки отвала в плане ф'=40°; угол отклонения траектории движения частицы от нормали к отвалу у = 25° Решение. 1.    Определяем высоту отвала по формуле (7.2). Приняв площадь сечения стружки F=0,14 м2 (третий прокод типовой схемы разработки кювета, рис. 90) и подставив исходные данные, получим Н = 0,409 м. 2.    Определяем высоту отвала по формуле (7.8). Коэффициент, учитывающий форму призмы волочения, принимаем равным 2. Подставив исходные данные, получим Я = 0,397 м. 3.    Определяем высоту отвала по приближенной формуле Н = 0,68V Ui+h, где L — длина отвала, равная 3,79 м; h — высота слоя перемещаемого грунта, равная 0,09 м. Подставив необходимые величины, получим Я = 0,405 м. Профиль отвала. Так как при работе автогрейдера чаще всего отвал бывает повернут в плане под углом if' и в вертикальной плоскости под углом зарезания е, то условия работы отвала отличаются от условий работы бульдозера. Экспериментальные исследования, проведенные канд. техн. наук И. А. Недорезовым, показали, что наиболее целесообразным профилем отвала является «профиль, имеющий постоянный радиус кривизны: где б — угол резания. Угол отваливания |Зо, образованный касательной к профилю отвала и горизонталью (рис. 95), обычно принимают равным 45°. Работами инж. А. А. Яркина установлено, что этот угол следует увеличивать до 65—70°, так как при меньшем угле грунт переваливается через отвал. Помимо основных параметров отвала значительное влияние на процессы резания оказывает установка отвала под некоторым углом к вертикальной плоскости, так как при этом меняются углы резания и эффективная; высота отвала НЭф. Угол установки должен выбираться таким, чтобы угол резания б был минимальным, так как при этом достигается наименьшая энергоемкость процесса. Рис. 95. Геометрия отвала
Угол резания б для автогрейдеров принимается равным 30—45°. Конструкция отвала На рис. 96, а показан отвал среднего трехосного автогрейдера. Он представляет собой сварную коробчатую конструкцию, внизу которой прикреплен нож. Края основного листа отвала усилены накладками. С задней стороны отвала имеется зубчатая рейка, с помощью которой можно вручную регулировать вынос отвала вправо или влево. Отвал крепится к поворотному кругу на кронштейнах, которые дают возможность вручную изменять угол резания, обычно в пределах от 30 до 60°.
Для обработки кюветов основной рабочий орган автогрейдера снабжается откосниками (рис. 96,6). Откосник состоит из двух частей — горизонтальной и наклонной и прикрепляется обычно к правому концу отвала. На средних и тяжелых автогрейдерах для рыхления грунта устанавливаются также кирковщики (см. рис. 89), . обычно с пятью зубьями. Они могут устанавливаться вместо отвала, сзади отвала или вблизи передней оси. Зубья кирковщика закрепляются в специальной раме, прикрепляемой к автогрейдеру. В не-* М которых конструкциях зубья кирковщика крепятся к отвалу с задней стороны. § 3. КИНЕМАТИЧЕСКАЯ СХЕМА И КОНСТРУКЦИЯ Схема автогрейдера обычно состоит из следующих кинема-* тических цепей: 1)    управление отвалом, включающее механизмы: а)    подъема и опускания отвала, позволяющие поднимать или опускать одновременно оба конца отвала или только один конец, благодаря чему можно установить различный угол наклона отвала в вертикальной плоскости; б)    выноса отвала; в)    поворота отвала; 2)    управления кирковщиком; 3)    управления передними колесами; 4)    привода задних колес и коробки передач. Управление отвалом, кирковщиком и передними колесами может осуществляться механической и гидравлической передачей. Кинематическая схема автогрейдера с механической передачей (рис. 18) включает следующие кинематические цепи: 1)    управление отвалом, состоящее из цепей: а)    подъема правой и левой стороны отвала; каждая цепь имеет карданный вал, приводящий в движение червячную передачу, движение от последней передается реечной передаче, рейка которой соединена шаровыми пальцами с отвалом; б)    выноса отвала; эта цепь состоит из карданного вала, от которого движение передается червячной передаче, затем реечной передаче, перемещающей отвал вместе с тяговой рамой вправо или влево при помощи шаровых пальцев и телескопической тяги; в)    поворота отвала; эта цепь состоит из карданного вала, зубчатой передачи и червячной передачи (последняя приводит в движение поворотный круг, на котором закреплен отвал); 2)    управление кирковщиком; эта кинематическая цепь состоит из карданного вала, червячной и зубчатой передач (последняя приводит в движение рычаги, опускающие или поднимающие кирковщик).    ; На рис. 97 показана схема гидравлической системы управления. В этой схеме гидронасос подает масло через систему распределительных устройств в гидроцилиндры, которые осуществляют управление отвалом, кирковщиком и колесами. Рис. 97. Схема гидравлической системы управления автогрейдера: 1 — насос, 2 — масляный' бак; гидроприводы; .5 — подъема и опускания отвала, 4 — кирковщика, 5 — поворотного круга, 6 — отвала бульдозера, 7 — наклона колес, 8 — поворота колес Вращение поворотного круга вместе с отвалом осуществляется при помощи гидромотора. Основной характеристикой кинематической схемы и конструкции автогрейдера является его ходовая часть. Схема ходовой части в значительной степени определяет тяговое усилие автогрейдера, его1 планирующие свойства, т. е. получение заданного профиля с требуемой точностью, устойчивость машины, особенно при работе на наклонных плоскостях и при. большом выносе отвала в сторону, а также маневренность машины. Чтобы обеспечить эти условия, ходовая часть делается с различным количеством осей и в том числе с возможностью управления отдельными осями или всеми осями и наклоном колес. Число осей А с управляемыми колесами, число ведущих осей Б и общее число осей В характеризуют колесную схему ав-тогрейдера, которая условно обозначается формулой АхБхВ. Например, колесная формула автогрейдера, имеющего одну ось с управляемыми колесами и одну ведущую ось, следующая: 1X1X2. Основной колесной схемой автогрейдеров по ГОСТ является схема 1X2X3 (рис. 98); эти грейдеры имеют наибольшее распространение. По ГОСТу допускаются также для автогрейдеров средней массы схемы 2x2x2, а для автогрейдеров тяжелых и особо тяжелых схем 1x3X3 и 3x3x3. Автогрейдеры по схеме 1X2X3 имеют большую сцепную массу, достигающую Рис. 98. Схема автогрейдера с колесной формулой 1X2X3 75% от общей массы машины, обладают хорошей планирующей способностью. Так как большое значение придается проходимости и увеличению сцепной массы, получают применение автогрейдеры с тремя ведущими осями по формуле 1X3X3. Применяются также, особенно при ремонте дорог, автогрейдеры с двумя осями с управляемыми колесами, которые являются и ведущими, т. е. по формуле 2x2x2. Эти автогрейдеры обладают высокой маневренностью. § 4. СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА РАБОЧИЙ ОРГАН При работе автогрейдера в зависимости от выполняемой операции и положения рабочего органа возникают силы сопротивления, подобные рассмотренным при работе бульдозера (см. рис. 75): 1.    Сила сопротивления внедрению ножа в грунт Рп■ Она определяется по формуле (5.3). 2.    Сила сопротивления резанию грунта Рр. Она может быть подсчитана по формуле (5.4) Рр = К F, где F•—площадь срезаемой стружки; F = _£енА ;    (7.10) гДе Стах — максимальная глубина снимаемой стружки.
3.    Сила трения ножа о грунт Ртр\. Эта сила определяется по формуле (5.5).
4. Сила сопротивления перемещению призмы волочения Рпр-Она может быть подсчитана как для бульдозеров с поворотным отвалом по формуле Рпр= V#yfi sin <р', но величина Vф здесь определяется по следующей зависимости:
L(H — ссг у Ф 2 tg ф
где сср — средняя толщина стружки.
5.    Сила сопротивления движению автогрейдера Рв от перемещения грунта вверх по отвалу. Она подсчитывается по формуле (5.10).
6.    Сила сопротивления движению автогрейдера Рвд от перемещения грунта вдоль по отвалу. Ее можно подсчитать по формуле (5.13).
7.    Сила сопротивления перемещению автогрейдера Рпер.г'.
PneP.r ==Gr[(l-a)fl2+af ±/],    (7.12)
где а—коэффициент, определяющий, какая часть силы тяжести машины передается на отвал. Он изменяется от 0 до 0,5 и может быть принят для приближенных расчетов равным 0,25.
Следовательно, общее сопротивление перемещению автогрейдера
Реум. Г = Рр + P-Ipi + Рпр + Рв + Рвд + Рпер. Г-
Очевидно, что
Реум. Г ^ 'Рсц'
где Тсц — номинальная сила тяги автогрейдера.
§ 5. СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ на автогрейдер
Так же, как и на любой землеройно-транспортйой машине, здесь рассматриваются условия нагружения, когда:
1)    автогрейдер работает в обычных условиях;
2)    на автогрейдер действуют случайные нагрузки в результате встречи препятствия,
В последнем случае наиболее опасным является условие, когда автогрейдер работает на значительных скоростях, например при планировочных работах.
Помимо перечисленных условий, автогрейдер может оказаться в непредвиденных условиях, которые могут вызвать силы, приводящие к его разрушению. Эти условия, а следовательно, и возникающие силы не могут быть предусмотрены расчетом. Как для первого, так и для второго условия при расчете деталей и узлов автогрейдера, кроме учета статических и динамических нагрузок, необходимо вести расчет на усталостную прочность.
К деталям и узлам, которые являются специфическими для автогрейдеро'в, с точки зрения нагружения и расчета, и не рассматриваются в общих курсах деталей машин, следует отнести:
а) отдельные узлы трансмиссии: шестерни и подшипники балансиров, оси и подшипники ведущих колес и б) узлы металлоконструкции: основную и тяговую рамы, задний и передний мосты, поворотный круг.
Расчет трансмиссии
Для расчета узлов трансмиссий необходимо определить режим работы, действующие усилия и моменты.
Режим работы трансмиссии определяется из условий работы автогрейдера, цикл которого для основной работы автогрейдера— профилирования дорог — состоит из трех операций: за-резания, перемещения вала грунта и разравнивания. Все эти операции выполняются на разных передачах: зарезание — на первой и второй, перемещение — на третьей, разравнивание — на второй или третьей.
Буксование колес при выполнении этих операций также различно. Следовательно, время выполнения каждой операции при одном и том же цикле различно.
Характер нагрузок также неодинаков, наиболее тяжелым является процесс зарезания. Зная время каждой из операций, можно определить режим работы машины.'
Наблюдения показали, что холостые перемещения машины составляют 15% общего времени работы автогрейдера; 5% времени происходит движение машины на пониженной (первой) передаче.
Режимы работы автогрейдера зависят от количества передач в коробке передач. Распределение режимов работы в % приводится в табл. 17.
Таблица 17
Режимы работы автогрейдера
Количество передач в коробке передач
Режим и передача
Рабочий
Транспортный
Специфическим в расчете трансмиссии автогрейдера является расчет балансиров заднего моста. Балансир (рис. 99) представляет собой зубчатую передачу, где от центральной шестерни передается вращение осям колес через промежуточные шестерни.
На балансир действуют:
1) сила тяжести автогрейдера Gri, приходящаяся на задний мост;
Рис. 99. Схема балансира
2)    крутящий момент Мк, передаваемый от двигателя;
3)    реакции R3l и /?э2;
4)    усилие на задних колесах Rt3\ и Rt&',
5)    моменты сопротивления перекатыванию
M„i = R3lhrc и Мп2 = RJ2rc,
где гс — статический радиус колеса.
Величины реакций R3] и R32 не равны одна другой, так как помимо силы тяжести Grz, равномерно распределяющейся на каждое из колес, величина Мк при передаточном числе i=f= 1 вызывает на колесах неодинаковые реакции.
Величины R зг и R32 могут быть определены при решении следующей системы уравнений:
= 0; #э1<ршах (rc + е) + R3lf-Sc -f R:J-,rc —
-R32 ~ ^\з2?тах {Гс Л- e) + R31 —    MK — 0;
R31 + ^2 = “ Gr2',
Л/f    (R-Л ^ ' $12) фтпах^r
IViK ”    •    *
(7.14)
1 —
■+ —
[i
G
Гг
где г] — к. п.' д. балансирной передачи; i — передаточное число от ведущего вала балансира к осям ведущих колее; b и е — размеры плеч (рис. 99). В результате решения этой системы уравнений получим величины R31 и R3Z: — — GF2 Г -L — rc-max + f ' 2 [2
фшах + /2 ; bn
Из анализа этих выражений следует, что величины реакций Ral и R32 зависят также от величины ф: чем больше <р, тем значительнее разница между R3i и /?з2, а следовательно, и больше разница в развиваемой ими силе тяги.
MlTJ Mt7) Рис, 100. Кривые величин Mi и АЬ в зависимости от величины коэффициента <р и передаточного числа i: / — кривые изменения моментов на колесе 1 (см. рис. 99), 2 — кривые изменения моментов на колесе 2, ч — кривые разности моментов АГ\ и Mi
Величины крутящих моментов Mt и М2 сами, равны Mi = Ял'Р'У. м2 = R3tfrc. развиваемых коле- Характер изменения реакций R3l, R3Z и моментов Мг и М2 в зависимости от изменений коэффициента сцепления ф приводится на рис. 100. Эти кривые были подсчитаны для следующих Данных: f2 = 0,07; г) = 0,95, гс = 0,54 м; е = 0,1 м; Ь= 1,6 м. Из приведенных зависимостей и кривых видно, что при передаточном числе г>1 и при значительной величине эксцентри-RT31 цитега отношение -может быть меньше 0,5, следовательно, фактически мало используется одна из осей в качестве тяговой. Расчет основной рамы Наихудшие условия при работе автогрейдера возникают, если в конце зарезания отвал вывесился на одном крае, автогрейдер наклонен под некоторым углом к горизонту, при этом вывешен передний мост и задние колеса буксуют. Рис. 101. Схема сил, действующих на автогрейдер В этих условиях на автогрейдер действуют следующие силы (рис. 101): 1)    силы Rx, Rz и Rv, возникающие в результате сопротивления копанию. Для запаса надежности прикладываем эти силы условно к концу режущей кромки ножа отвала. 2)    в точках 0\ и Ог, являющихся проекциями середин балансиров на опорные поверхности, действуют вертикальные суммарные реакции и Х2 и силы Z\ и Z%. 3)    сила тяжести автогрейдера Gr\ координаты центра тяжести существующих машин приблизительно равны: Н=гс-\-+0,5 м и /г = (0,25—0,3) В, где В — база автогрейдера. Часть силы тяжести, равная Gr cos р, действует по нормали к опорной поверхности, другая часть действует параллельно опорной поверхности и равна Gr sin p. 4)    Динамические нагрузки, возникающие в процессе торможения. Определить их аналитическим путем трудно, поэтому для расчета можно рекомендовать следующие данные, полученные ВНИИСтройдормашем экспериментальным путем. Сила инерции Pj = {kd — 1)фтах<5г2, где kg—коэффициент динамичности, равный 1,15—1,2. Из этой зависимости видно, что сила инерции (динамические нагрузки) при работе автогрейдера составляет не больше 20% максимально возможных полезных сопротивлений. Неизвестные силы и реакции могут быть определены из решения следующих систем уравнений: ^ M0lo2 =0; Gr-j- cos p - GrH sin p - Z2b = 0; £7 = 0; y^ + Kg+Кз ——<?rsinp = 0; 2Z — 0; — Gr cos p -(- Zx -f- Z2 Rz = 0; г = (Yi + У2) I + X%b + Ppx — Gr sin p (/ —12) -Г3(5-0= 0; ЕМо.о/, Rzl — Gr-2 cos p/2 — PjH = 0. Считая, что ^l'Pmaxi X-2 ^2?тах> 2 , max»
= y2 = 0,5Gr2 sin P, получим К =— [/2COSf5 — (kd— 1)ф9тахЯ],    (7.17) Zx — Gr cos p — Z2 — Rz',
Z2 =
(7.19)
7 H. Т. Домбровский, М. И. Гальперин
X1 = (Gr cos p — Z2 — Rz) cpmax; ^2 = (y cos P — sin p -y-j Grcpmax; (7.22) (7.22а) (7.24)
Y \=ZY« = 0,5G/-sin [5; (У\ -f- У2) / + Хг& jb\ — Gr sinp (/ — /2) # y3 = _    .    __    , Ry = Y1 + Y2 + Y3—Gr sinfr = Xj + X2 + P j- Основная рама опирается на задний мост, на систему подвески тяговой рамы и на передний шарнир. Для приближенного расчета можно принять, что плоскость, в которой расположены тяги подвески тяговой рамы, является как бы опорой основной рамы; пересечение этой плоскости с рамой можно себе представить как место заделки основной рамы, являющееся опасным расчетным сечением. Для простоты расчета принимаем, что тяги подвески (штоки гидроцилиндров) находятся в вертикальной плоскости, хотя в действительности они наклонены под небольшим углом. Из уравнений моментов относительно осей у\—у\ и г\—гь лежащих в плоскости Q' (рис. 102), найдем силы Z4, К4 и Х4, действующие на передний шаровой шарнир: Z4 = RxC — Rztn ;    (7 25) Rx — +Rym Y, =-1-;    (7.26) X^Rx.    (7.27) Наихудшими условиями при действии случайных нагрузок на автогрейдер можно считать условия, когда грейдер осуществляет планировочные работы, т. е. работает на 2 и 3-й передаче при малом буксовании колес, при этом конец отвала ударяется о жесткое препятствие. Расчет можно вести так же, как для бульдозеров, т. е. рассматривать соударение двух упругих тел. Так как масса препятствия во много раз больше массы автогрейдера, то можно принять, что в основном нагрузки на раму определяются ее жесткостью, массой и скоростью столкновения. Для расчета необходимо определить величину суммарной жесткости автогреидера, для определения которой можно представить себе автогрейдер в виде следующей упругой модели (рис. 103): металлоконструкция в виде податливой пружины с жесткостью Сь которая соответствует жесткости металлоконструкции, задние и передние колеса заменены пружинами с жесткостью С2. Масса автогрейдера расположена в центре тяжести. Рис. 102. Схема сил, действующих на передний шаровой шарнир Суммарная жесткость определяется по суммарному перемещению. Для этого определяется перемещение от какой-то единичной силы Р = 1 (рис. 103). Величина суммарного перемещения x = xi~j-x2, где х\ — перемещение за счет деформаций метал- у    Р локонструкции, оно равно —; Ci    * х2 — перемещение в результате деформации шин, равное —, где ф — угол поворота рамы. Величина х% зависит от деформации передних шин (7.29)
При Л, обычно в среднем равном 2/з5, величина 1 ,Ь№Р Хп = --- . Следовательно, суммарная жесткость Q _ _ClCz__ (7.30)
~ 1.5Я2 „ Значения Ci в значительной степени зависят от величины сцепного веса автогрейдера. Динамическая жесткость шин Сш зависит от нагрузки на шины и от давления воздуха в них. В табл. 18 приводятся значения Сш, а в табл. 19 — значения Ci. Т а б л и ц а 18 Динамическая жесткость шин Сш в кн/м в зависимости от нагрузки и давления воздуха в шинах Давление впзттуха в шинах в kh/'mz (кГгл1) Обозначение Нагрузка в кн (кг) 16.00—24 (2500—3500) 12.00—20 (2:00—3500) Таблица 19 Жесткость металлоконструкции С1 в зависимости от силы тяжести О Сила тяжести, приходящаяся на ведущие оси в кн........... Жесткость всей металлоконструкции C-L в кн/м (кГ/см) ......... Суммарная жесткость автогрейдера Жесткость конструкции С в кн/м k J- ■ \ it По известной суммарной жесткости С, массе автогрейдера т и скорости столкновения отвала с препятствием v определяем Рин по формуле (5.20). Суммарная жесткость передних колес С2 = 2СШ. Суммарная жесткость задних колес 2С2 = 4СШ. Суммарная жесткость для различных марок автогрейдеров приводится в табл. 20. Таблица 20
(Нагрузка приложена к нижней кромке ножа) , Е Ч О S Я О Е* И (у н п а о отвал* Рис. 104. Схема сил для расчета тяговой рамы
На рис. 104 приводится схема сил, действующих на автогрей-лер при встрече выступающего края отвала с препятствием. Для этих случаев работы рассматривается, что грейдер движется по горизонтальной поверхности на всех колесах, т. е. передние колеса не вывешены, как в первом случае, ведущие колеса полностью пробуксовывают; сила тяги на каждой паре колес одинакова, т. е. Х\&Хц. Суммарная сила тяги Т = Хх + Х2 = Gr<pmax.    (7.31) Реакции Zx и Z2 с учетом динамических нагрузок будут равны Z\ — Gn Pj—т",    (7.32) Zt = Gri-Pj4-    (7.33) Остальные силы определяем из решения следующей системы уравнений: г, = 0; Х2 (а + Ь) 4- Хха + Рj + ”2”}— — Yalt — Y1l1 = 0-,    (7.34) откуда — Т ф + 2а) + Pj (а + — j — Y 4ч + Y X1 + X2 + Pj-Rx= 0; откуда T+Pj-Rx= 0; 0; y1-r2-/?Jf = 0. Пр инимаем Ki =    (7.35) Из решения предыдущих уравнений получим X1(b + 2o)+,Pj(a + -%-)-Y1ll Y2 =-}-2-1-;    (7.36) Xx = X2    (7.37) X1(ft+2e)-fP/(e + -“)-iyl = Z1?max--^^-;    (7.38) ^ = ^'2?max + P />    (7.39) tf2=0.    (7.40) Пример 1. Расчет нагрузок на основную раму автогрейдера Д-547 для условий «конца зарезания». Исходные данные: сила тяжести автогрейдера    Gr = 120000 к(12ООО кГ); база автогрейдера    В = 5,5 м; кслея автогрейдера    6=2,0 м\ обозначения шин    16.00 - 24 (модель Я - 140); силовой радиус колеса    гс = 0,68 м-, угол наклона отвала в вертикаль- р = 14°30'. ной плоскссти Решение. 1.    Определяем положение центра тяжести автогрейдера Н =гс + 0,5 м\ Н ~ 0,68 + 0,5 = 1,18 1,2 м. 2.    Определяем силу инерции Pj ~ {kd О Tmax^V Считаем, что фшах = 0,85. При /1 = 3,99л, Gr = 120000 н= 12000 кГ\ В = 5,5 ж. Gr, = Gr = 12 000Ь2^ = 8700 кГ = 87 000 н. 2    В    5,500 Принимая &а=1,2, получим р. =.0,2-0,85-8700 ^ 1470 кГ = 14 700 н. 3.    Находим Z2 по формуле (7.19), где cos р = 0,965; sin Р = 0,25; Z2 = 12 000 ^0,5- 0,965 — 0,25-—-j я^ 3993 /сГ = 39 930 н. 4.    Вычисляем Х2 по формуле (7.21): Х2 = 39 930 ■ 0,85 яг 3400 кГ = 34 000 н. 5.    Находим Ki по формуле (7.22): Г, = У2 = 0,5 • 87 000 • 0,25 як 1090 кГ = 10 900 н. 6.    Определяем У3 по формуле (7.22а): координаты центра тяжести /2=15Ю мм, 1 = 3800 мм у _ 2-1087,5-380+ 3400,33-200 + 1470-100,35 — 12000-0,25 (380—151) 3 _    550 — 380 як 5650 кГ = 56 500 н. 7.    Находим Rz по формуле (7.17): Rz = (1510 • 0,965 + 0,2 • 0,725 • 0,85 • 1180) — як 5070 кГ = 50 700 н. 8.    Вычисляем Zx по формуле (7.18): 12 000-0,965 —3993 —5070 =2417 кГ = 24 170 н. 9.    Определяем Xi по формуле (7.20): Хг = (12 000-0,965— 3993 — 5070)0,85 = 2055 кГ=20'550 н. 10.    Подсчитываем величину Rx по формуле (7.24): Rx = 2055 + 3400 + 1470 = 6925 кГ = 69 250 н. 11.    Находим значение Ry по формуле (7.23): Ry= 1090+ 1090 + 5650 — 12 000-0,25 як 4725 кГ = 47 250 н. 12.    Определяем усилие в шаровом шарнире X4 = Rx = 6925 кГ = 69 250 н. 13.    Вычисляем К4 по формуле (7.26), где т= 100 см; гс=150 см: У4 =, 6920-100+ 4725-100 _ ?g Q ^ = 4    150 14.    Находим Z4 по формуле (7.25), где с=1450 мм: 7 6925 4- 5070-100 оощ г qq тп Z. —--як 3310 кГ = 33 100 н. 4    150 Пример 2. Расчет нагрузок на основную раму того же автогрейдера, когда отвал встречает препятствие при планировке. Исходные данные такие же, что и в примере 1. Решение. Определяем силу инерции Рин по формуле (5.20), для этого находим суммарную жесткость по формуле (7.30), где Ci — жесткость металлоконструкции; Ci = 2000 кн/м (2000 кГ/см); Сг — жесткость колес передней оси; С2 — 2СШ = 2 ■ 375 = 750 кГ/см = 750 кн/м; тогда С =-2000--50-= 1650 кГ/см = 1650 кн/м. 1,5-11400-2000 75°+—-—-- Скорость автогрейдера на 2-й передаче составляет 5,4 км]ч = = 1,63 м/сек, следовательно, сила инерции Р, = 163 . / 1650-1—0— 25 ООО кГ = 250 ООО н. 1    [/ 981 Определяем силы, действующие на автогрейдер. Размеры и расположение отвала и центра тяжести берем из чертежей (см. рис. 101, 104). Находим реакции Z\ и Z2 по формулам (7.32) и (7.33): Zj - 3300 + 25 000 — 8740 кГ = 87 400 к; 1    550 Z2 = 8700 — 25 000 — « 3260 кГ = 32 600 н. Определяем величины Т, Хи Х2, Yi, У2 по формулам (7.35, 7.36 и 7.37): Т = 3260-0,85 = 2770 кГ = 27 700 и; х1 = х2 = -~ = 1385 кГ = 13850 н> Yt = 8740-0,85 = 7420 кГ = 74 200 я. Зная, что /i =4200 мм; l2=—£=1300 мм; а = 50 мм, получим у _ 1335(200 + 2,50) +25000(50+ 100) — 7420-420 2    130    ~ = 4700 кГ = 47 000 н. Определяем силы Rx и Rv по формулам (7.38 и 7.39):    ; Rx = 2770 + 25 С00 = 27 770 кГ = 27 7700 и; Ry = 7420 — 4700 = 2720 кГ = 27 200 н. 7 ^Определяем усилие в шаровом шарнире по формулам (7.25,. Y = 27 770-100 f 100-2720 Q 4QQ ^ = 204 000 н; Xi = Rx= 27 770 кГ = 277 700л; Z4 = ■-7--70-145 = 26 820 кГ = 268200«. Расчет тяговой рамы При работе автогрейдера даже в обычных условиях часто приходится разрабатывать грунт, плотность которого в верхних слоях выше, чем в нижних. При этом реакция грунта на площадку затупления Рп меньше, чем вертикальная составляющая Nz от силы N, действующей по нормали к ножу. Поэтому суммарная сила Nz действует вниз, что вызывает самозатягивание отвала. Так как эта сила может иметь значительную величину, то ее необходимо учитывать при расчетах на прочность. Величину силы NZ = RZ (рис. 105) мы определяем по следующей зависимости: ы =-P01 cos_6_    7 41^ sin б + / cos б Эта сила Nz увеличивает тяговое усилие Тсц; поэтому величина Р01 может быть больше, чем величина обычного тягового усилия по сцеплению и может достигнуть максимального значения, равного силе тяги по двигателю. Следовательно, величину Poi необходимо принимать равной тяговому усилию по двигателю Td — Xi-\-X2.    . Для расчета принимаем, что сила Nz приложена на конце ножа отвала. В этих условиях на автогрейдер (с колесной формулой 3X3X3) действуют следующие силы: 1. Nz, направленная вниз; х=Тд +Pj; p. H +Л/ B~l-1 2 В ^ z В ' 9£^ — р JL. — Яь. 2 4-Р - Н 4- N 1 ■ 1 J 2fi t ! В ’ Gr, , р Я . 2 ^ > 2 В ' _-0г + Ру ь- 2 (В — I) ’ Для автогрейдеров с колесными формулами 1X2X3 и 1X1X2 наиболее опасными являются условия, когда грейдер работает таким образом, что боковые реакции на задний мост возникают в результате упора боковой поверхности колес в грунт, а передние воспринимают боковую силу Yi, ограничиваемую их скольжением по грунту вбок. Величина Гг = (<?п +    + pi f)    (2-5°) гДе |max — максимальный коэффициент бокового сдвига, равный 'Ртах +/2.    (7.51) Боковая составляющая Rv=Yi-\-Yu. Пример 3. Расчет тяговой рамы автогрейдера Д-547. Исходные данные: мощность двигателя автогрейдера N= 110 кет (150 л. с.) число оборотов в минуту п = 1500; силовой радиус гс=0,68 м. Определяем усилия, действующие на автогрейдер: z sin й -j- / cos б Принимаем: Р01 = Га; 6 = 30°; f = 0,5; = 716,20— • — W', где Af=110 кет (150 л. c.) \ n = 1500 об/мин; T\mp = 0,85; г= 100. Тогда Тд = 89 400 н (8940 кГ)\ Следовательно,
Nz = 83 000 н (8300 кГ)\ Rx~Td + Pj, где
PJ = (kd ~~ *) ?maxGr ; Pj = 0,2-0,85-12000 = 20400 н (2040 кГ)\ Rx = 8940 +2040 = 109 800 н (10 980 кГ); Z\ = _l р JL—j-    ; 2 ; 2 В    В 2Л = + 2040 -1HL ■ 830 0 550 — 380 = 7 1 300 я (7130 кГ); ; 2    2-550 1    550 Z.=— -Pj —; 8700__204o _ J20_ = 41 300 н (4130 кГ); 2 2    2-550 Gr, , n _l ч _L 2 y 2B ' "z В Z = _3300_ 2040- — + 8300 = 76 000 н (7600 кГ)\ 3 2    2-550    550 = ззоо 2040
= 18700 н (1870 кГ); Ь;
2    2-550 12 ООО 4- 2040
•200 = 82 600 к (8260 кГ); Y1
2 (550 — 380) = 82 600 н (8260 кГ). Расчет ходового оборудования На ходовое оборудование действуют силы тяжести автогрейдера, усилия, возникающие на тяговой раме в процессе работы, и усилия, возникающие в результате вращения колес, соз-^ дающих тягу. Все эти силы воспринимаются колесами, балками мостов, подвеской и другими узлами и деталями ходового оборудования. Расчет усилий ведем для ранее принятых условий работы. Методика расчета приводится для наиболее распространенной конструкции, имеющей одну переднюю ось и две задние оси. Рис. 106. Схема расчета моста заднего
Рассмотрены должны быть следующие    конструкции: 1) обе задние оси ведущие, передняя ось ведомая; 2) все оси ведущие. Расчет заднего моста для первичных расчетных условий. На задний мост действуют следующие силы (рис. 106): 1. Реакции R'3l, &'з2, R"3l, R’a2, отличающиеся по величине, так' как величины давлений на колеса Z\ и Z2 различны и, кроме того, как было показано в расчете балансира, давление на передние и задние колеса неодинаково. Следовательно, величины сил реакций на колесах могут быть определены по следующим зависимостям: Rs\ = Z\A\ R3 2 = Z%A, R:A = Zi A' ] R32 = Z2A', (7.53
А = 0,5—фп1ах +; гс (1 — — + — );    (7,54) bi} V i Гс / А' = 0,5 + фтах + f-rc( 1 — J- + -i-Л . &7|    \ г гс / 2. Сила Уг, возникающая в результате упора боковой поверхности колеса в грунт. Величина этой силы равна (рис. 106) Ух (В — I) %2<РтахЬ — Pf “7Г У2 = ----- •    (7.55) Определение случайных нагрузок, действующих на задний мост при движении машины с транспортными скоростями. При таком движении ко-I гг    леса могут отрываться от Рис. 107. Схема расчета вертикальных сил при разных положениях автогрейдера
грунта. В зависимости от того, какие колеса отрываются от грунта, происходит распределение нагрузок на колеса. На рис. 107 приводится схема сил, действующих на автогрейдер, для разных расчетных положений. Возможны такие положения. когда автогрейдер опирается: 1)    на все колеса; точ: ки опоры А, В, С; 2)    на передний мост и среднюю ось //; точки опоры А; 1, 2; 3)    на передний мост I, колесо 1 средней оси // и колесо 4 задней оси III; 4)    на передний мост I и заднюю ось III; 5)    на передний мост и колеса 1,3 и 4; 6)    на передний мост и на колеса /, 3 и 2. Чтобы определить нагрузки на колеса для каждого из случаев, составляют соответствующие уравнения равновесия системы. Например, для 2-го положения (рис. 107) (7.56)
R3i = R32 = Gr— Gr;, 0[\ = Gj— Gr2. Такие уравнения составляются для всех положений; при расчете принимается наиболее неблагоприятное положение. Анализ всех положений показывает, что наименее благоприятным является второе положение. (7.58) Рис. 108. Схема сил при рас-положении автогрейдера на поверхности с поперечным уклоном
Для всех расчетных положений, нагрузки на колеса передней оси Яз1 = =    (7.57) Определение усилий, действующих на задний мост, когда машина перемещается с поперечным уклоном, угол которого близок или равен углу опрокидывания (рис. 108). Предельный угол поперечной устойчивости
яр
Для простоты расчета принимаем, что автогрейдер опирается на все колеса; колеса 2 и 4, кроме того, упираются в грунт боковыми поверхностями (рис. 108), тогда поперечные составляющие воспринимаются грунтом как упором. В этом случае можно написать Or2sin а пр (7.59)
У,
Решая уравнения моментов относительно осей, проходящих через точки 1, 3 я 2, 4, получим R3i = *3з = 0,25G/-2 (cos а,пр + sin кпо); (7.60) R32 = R34 = 0,25Gr2 (cos a sin a.np).
(7.61)
При этом считаем, что ^1 = *3 = ^з1? maxi ^■2 -^-4    2? in их. Пример 4. Расчет заднего моста автогрейдера Д-547 для обычных условий работы. Исходные данные: сила тяжести автогрейдера G= 120 ООО н (12 000 кГ); силовой радиус гс=0,68 м; величины давления на колеса автогрейдера: Zj = 55 000 я (5500 кГ); Z2 = 41 300 к (4130 кГ). Решение. На задний мост действуют силы (реакции) R3i; R32; R31', R32 (рис. 106). Определяем эти реакции: Rsi = ZXA, А = 0,5 — 2gax ±-Ь г А1 — — + —); 1гц    \ i гс } А = 0,5— °’<s5 : °’07 (1 --— + —) 68 = 0,34. 0,95-200 \ 1,5 68 1 Тогда R3l = 5500-0,34 = 1890 кГ = 18900 н-R3l=ZxA\ А' = 0,5 фтах + ^ rc f 1 — — ' - t>n \i г, А' = 0,5 + °’85±°’07 • 68 f 1 — — + —) = 0,66.
-68f 1 — — +-200-0,95 \ 1,5 68 J Следовательно, R"3i = 5500-0,66 = 3630 кГ = 36 300 н. Далее: R3 2 = Z2A) R'32 =4130-0,34 = 1400 кГ = 14 000 «; R3 2 = Z2A'\ я;2 = 4130.0,66 = 2730 кГ = 27300 н. Усилие Yi (В— /) — ^гфшах^ Pj g Y _ 5820 (550 — 380) — 4130■ 0,85• 200 — 2040-100 go g кГ = 2280 Я Далее определяем усилия Хи Хг, Х2 и Х2: Xi — R3 l'Pmax'» Х[ = 1890-0,85 = 1610 кГ= 16100 я; ■^1 = Рз2'-фт ах» х\ = 3630 - 0,85 = 3090 кГ = 30 900 я; Х'2 = -^з2^ршах, Х% = 1400-0,85= 1190 кГ - 11 900 я; -^2 “ Кз2'Ушах> 2730-0,85 = 2320 кГ =,23 200 я. Пример 5. Расчет ходового оборудования того же автогрейдера для работы в условиях случайных нагрузок. Исходные данные те же, что в примере 4. Решение. Определяем весовые нагрузки, приходящиеся на колеса 1, 2, 3, 4, 5 и 6 автогрейдера при возможных положениях осей. 1-е положение: автогрейдер опирается на все колеса: Gn_j.ni = —■ = 12000-3"- = 8700 кГ = 87 000 я; ^ Я    550    , 8700    „ Gn = Gin = - -Ц^1 - = - j- = 4350 кГ = 43 Ь00 я; Gri = 12 000 — 8700 = 3300 кГ = 33 000 я; Z1 = Z„ = Z, = Z4 = ^-=-^- = 2175 кг = 21750 я. 1 ‘ 3 4 4    4 2-е положение: автогрейдер опирается на передний мост и среднюю ось: Gr-
41
G„ = 12 000—= 10 200 кГ = 102 000 и; 550 — 80 7 _ 7 _ -HlL =5100 кГ = 51000 «; *-\ — 2 — 2 G! =Gr— Gh = 12 000—10200= 1800 кГ = 18000 «. 3-е    положение: автогрейдер опирается на передний мост, колесо средней оси и на колесо задней оси: Zl = Gr —; где h3 я Л3 — перпендикуляры из центра тяжести и точки 1 на линию 2 — А. Z, = 12 000 • 1^2- = 4000 кГ = 40 000 и; У _ Gl-Z1(ll + h)_ 4    В + I z 12000-399 — 4000 (399+ 15Д ^41qo —^qqq н\ G\ = Gi— (Zx + Z4); G{ = 12 000 — (4000 + 4100) = 3900 кГ = 39 000 н. 4-е    положение: автогрейдер опирается на передний мост и на! одду заднюю ось: Gui = 12 000 —^— = 7600 кГ = 76 000 н; Gi = Gr — Gin; Gi = 12 000 — 7600 = 4400 кГ = 44 000 к; Z3 = Z4 = — Gin; Z3 = Z4 = 3800 кГ = 38 ООО я. 5-е    положение: автогрейдер опирается на передний мост и колеса: Zi = Z, = — • 12 ООО- -39?' = 2010 «Г = 20 100 «; d 4    550 + 40 Z4 — Zx + Z3; Z4 = 4020 кГ = 40 200 я; Gi = Gr-(Z1 + Z2 + Z3); Gi = 12 000 — 2010—2010 — 2010 = 5970 /сГ = 59700 я. 6-е    положение: автогрейдер опирается на передний мост, среднюю ось и на колесо задней оси: Z1 = Z3 = 4-Gr- 1г - 4 В —а Zj - Z3 = — ■ 12 000 • 399 ^2350 кГ = 23 500 я; d 4    550 — 40 Z2 = 4700 кГ = 47 000 я; Gi = Gj (Zx + Z2 + Z3); Gj = 12 000 — (2350 + 4700 + 2350) = 2600 кГ = 26000 я'. Пример 6. Расчет заднего моста по предыдущим данным для расчетного случая, приведенного на стр. 207. Боковая составляющая А" = Сг, sin я„р. А" = 8700-0,72 = 6260 кГ = 62 600 я; У2 = У4 = 3130 кГ = 31 300 я; 2-120
в' 51 nV
0,272
550
Z1==Z3= 0,5-87С0 0,6875 +
Zj = Z3 = 0.5G/-J cos
пр
Zx = Z3 = 3960 кГ = 39 600 я; z2 = Z4 = 0,5Grj COS a 550
0,72 ) ;
z2 = Z4 = 0,5 -8700 (0,6875- Z2 = Z4 = 2040 кГ = 20 400 я. Кроме того, ■^l = X3 =■- Xj = x3 = 3960-0,85 = 3360 кГ = 33 600 я; -^2 ’ -^4 ^-*2'Pm ах» x2 = X4 = 2040-0,85 = 1730 кГ = 17 300 я. § 6. ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ АВТОГРЕЙДЕРОВ Производительность работы автогрейдера характеризуется величиной спланированной площади или длиной дорожного полотна, пройденного в единицу времени. Вспомогательным параметром для определения этих показателей является объем вырезанного автогрейдером грунта. Но так как подсчитывать производительность по планируемой площади или длине дорожного полотна довольно сложно из-за различных условий работы, то обычно считают производительность по объему грунта, вырезанного и перемещенного автогрейдером. По усредненным коэффициентам, характеризующим, сколько приходится единиц объема грунта на квадратный метр спланированной площади (или единицу длины дороги), можно определить производительность, выраженную в единицах длины дорогь или единицах площади планировки. Если производительность определяется по объему разработанного грунта, то ее можно считать по зависимости, справедливой для бульдозеров (стр. 154): П = ш*чЬл. м*/смену,    (7.62) где tCM — время работы автогрейдера в течение смены в часах. В этом случае продолжительность цикла в минутах t = h +12 -f- tz -j- + tb + tb,    (7.63) где t\ — время на перемещение грунта отвалом; оно зависит от длины пути перемещения грунта L и скорости движения автогрейдера при выполнении той или иной операции; так, при зарезании обычно работают на первой передаче, при перемещении и разравнивании уже вырезанного грунта — на второй и третьей; h — время на обратный (холостой) ход; t3 и t4 — время на подъем отвала в транспортное положение и на опускание отвала; t5 и t6 — время на переключение передач и повороты в конце рабочего хода и в конце обратного хода. Если работа производится без разворотов на концах, т. е. так называемым челночным способом, то время t может быть подсчитано по формуле t = t\ + t-г "Ь    (7.64) где /i — время на рабочий ход вперед; t2 — время на обратный (задний) ход; /3 и t\ — время на поворот отвала на 180° и переключение передач в конце переднего и заднего ходов. Если производительность определяется по выработанной длине дороги, то ее можно подсчитать по формуле П=    м/смену,    (7.65) где t — время, необходимое для профилирования участка дороги длиной L. Время t может быть определено по формуле t — 2l(+ ——(- -f- . . . ) + 2ntt, (7.66) \ VX    V2    V3    / где vi, v2, v3 — скорости автогрейдера на первой, второй и третьей передачах с учетом буксования колес; «ь «2, «з — число проходов, выполняемых на первой, второй и третьей передачах; t\ — время на повороты машин (1 мин) или повороты отвала на 180° (0,5—1 мин). Производительность кирковщиков. Производительность автогрейдера при работе с кирковщиком может быть определена и» зависимости (7.63). Объем V вскиркованного материала в данном случае определяется выражением: V = bKhKlK.    • (7.67) где bK, hK, 1К—ширина, глубина и длина полосы, обрабатываемой кирковщиком. Производительность автогрейдера зависит в значительной степени от длины разрабатываемых участков; поэтому с изменением длины участков в расчетные зависимости должны вводиться-поправочные коэффициенты. Принимая за исходную величину длину участка 0,5 км, при меньшей длине назначают следующие коэффициенты: Длина участка в м............. 400    200    100 Коэффициент................ 0,95 0,90 0,80 Указанные выше величины расчетной производительности могут быть достигнуты только при условии, что тяга по сцеплению и мощности достаточна для получения нужных скоростей при заданной глубине зарезания и при данных физико-механических свойствах грунта. Пример 7. Расчет производительности автогрейдера Д-547. Исходные данные: коэффициент использования автогрейдера по времени kB =0,85; скорости автогрейдера на первой, второй и третьей передачах соответственно равны: ^1 = 3,73 км/ч; »2=4,5 км/ч-, ^3 = 5,2 км/ч; длина отвала Ь = 3,79 м; высота отвала Н=0,575 м; глубина резания с=0,05 м; угол естественного откоса <р = 35°. Решение. Определяем производительность автогрейдёра по объему разработанного грунта [формула (7.62)]. Принимаем: время на перемещение грунта £i=16,l мин при пути перемещения 1 км; время на обратный (холостой) ход £2=1,6 мин; ■время на подъем отвала в транспортное положение и на опускание отвала U и ^ = 0,033 мин; время на переключение передачи ^ = 0,0839 мин и на повороты в конце рабочего хода и в конце обратного хода /б = 0,33лшн; коэффициент использования автогрейдера по времени ке =0,85; коэффициент разрыхления грунта в призме kv = 1,75; продолжительность'смены ^„=420 мин. Объем призмы грунта, перемещаемого отвалом: ЦН — с)* . V = 3,79(0,575 —0,05)2 _ Q 74 ж3 2-0,7 Следовательно, „    60-0,74-0,85-420    .пс П --:-----= 496 м3 смени. 1,75 - (16,1 + 1,6 + 0,033 + 0,033 + 0,0839 + 0,33) Если работа производится без разворотов на концах (челночным способом), то продолжительность цикла t подсчитываем по формуле (7.64). Принимаем: время на рабочий ход ^ = 16,1 мин; время на обратный (холостой) ход £2= 1,6 мин; время на поворот отвала на 180° = 0,07 мин и переключение передач в конце переднего и заднего хода 4=0,0839 мин. Тогда П    60-0,74-0,85-420 П =-:---= 509 м3 смени. 1,75 (16,1 + 1,6 + 0,07 -t- 0,0839) Производительность автогрейдера по длине дороги определяем по формуле (7.65). Принимаем: длина профилируемого участка дороги L= 1 км; скорость автогрейдера на первой, второй и третьей передачах с учетом буксования колес равна Wj = 3,73 км/ч; Уг=4,5 км/ч и г>3=5,2 км/ч; число проходов, выполняемых на первой, второй и третьей передачах, соответственно равно «1 = 5, Яг=6, «з=5; время на поворот машины ^ = 1 мин. Тогда „    60-1000-0,85-420    оппо П —-1----- 3000 м/смени = / 5    6^ 5 \ 2-1000 (—--К-Г    +2-16,1 \ 3,73 ’4,5 5,2 } = 3 км/смену. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ VII 1.    Начертите схему автогрейдера и опишите процесс его работы. 2.    Перечислите области применения автогрейдеров. 3.    Вычертите рабочий орган автогрейдера и опишите влияние отдельны* геометрических и конструктивных параметров на процесс работы. 4.    Опишите процесс перемещения грута впереди отвала и напишите зависимости для определения траектории перемещения грунта. 5.    Приведите кинематическую схему автогрейдера и объясните, что такое колесная формула автогрейдера. 6.    Напишите зависимости для определения сил, действующих на_ рабочий орган автогрейдера. 7.    Напишите основные зависимости для определения сил, действующих на автогрейдер. 8.    Перечислите наиболее опасные положения, для которых следует вести расчет автогрейдера. 9.    Приведите схему сил, действующих на основную раму, и схему расчета. 10.    Приведите схему сил, действующих на тяговую раму, и схему расчета. 11.    Приведите схему сил, действующих на задний мост, и схему расчета. 12. Приведите основные зависимости для определения производительности. Глава VIII ГРЕЙДЕР-ЭЛЕВАТОРЫ § 1. КЛАССИФИКАЦИЯ И КОНСТРУКТИВНАЯ СХЕМА Грейдер-элеватором называется машина, которая разрабатывает (срезает) грунт послойно и отсыпает его в отвал или в транспортные средства. Рабочими органами грейдер-элеватора являются ножи: дисковые (прямые или сферические), а также плоские или криволинейные ножи-струги. В последнее времяг-к этим машинам относят также машины, оборудованные рабочими органами роторного типа — фрезами, хотя правильней было бы выделять их в отдельную группу. Принципиальной особенностью этих машин является то, что грунт, отделяемый от массива рабочим органом, сразу попадает на транспортирующее устройство — конвейер, при помощи которого он подается в транспортные средства или в отвал. Это выгодно отличает их от других землеройно-транспортных машин, так как расход энергии на транспортирование грунта элеватором значительно меньше, чем на заполнение грунтом ковша скрепера, а также отвала бульдозера, где в процессе перемещения грунта значительное количество энергии тратится на трение грунта о грунт. По типу рабочего органа грейдер-элеваторы разделяют на машины с дисковыми ножами, которые могут быть поворотными или неповоротными, с прямыми ножами и с криволинейными (струги). По расположению конвейера грейдер-элеваторы делятся на машины с поперечным или диагональным расположением конвейера, с одним или двумя поворотными конвейерами и машины с грунтометателем. В зависимости от ходового оборудования и применяемых тяговых средств грейдер-элеваторы могут быть прицепные (на пневматическом ходу), полуприцепные к гусеничным тракторам, навесные в виде сменного оборудования к автогрейдерам и самоходные (с собственной ходовой частью с использованием одноосных тягачей). Грейдер-элеваторы делаются с механическим приводом и с многомоторным дизель-электрическим или гидравлическим приводом. Грейдер-элеваторы применяются для возведения невысоких насыпей и сооружения неглубоких выемок при строительстве дорог, постройке оросительных каналов и т. п. С помощью таких машин при использовании специального транспортера можно-устраивать высокие насыпи с выемкой грунта из боковых резервов или карьеров, разрабатывать глубокие и широкие выемки. Наиболее эффективно используются грейдер-элеваторы в равнинной местности при фронте работ более 1 км при разработке связных, более или менее однородных, не очень тяжелых грунтов; на сыпучих и сырых (с влажностью более 25%) грунтах они имеют низкую производительность. / Рис. 109. Кинематическая схема грейдер-элеватора: / — двигатель, 2 — телескопический карданный вал, 3 — механизм подъема верхней части транспортера, 4 — редуктор привода ведущего барабана, 5 — телескопический кардацны» вал привода очистительного механизма, 6 — механизм очистки ленты транспортера, 7 — механизм подъема плужной балки, 8 — механизм подъема нижней части транспортера Для производительной работы грейдер-элеваторов требуется, чтобы поперечный уклон не превышал 10—12°. Грейдер-элеватор состоит из ходовой части, основной рамы,' плужной балки, рабочего органа, ленточного конвейера, трансмиссии, привода конвейера, силовой установки и механизмов: управления.    * Кинематическая схема грейдер-элеватора показана нж рис. 109 От двигателя приводится в движение ведущий барабан конвейера, механизмы подъема конвейера, механизм подъема плужной балки. Исследования грейдер-элеваторов были начаты в 30-е годы в ДОРНИИ и продолжены ВНИИСтройдормашем и ВНИИЗем машем. § 2. РАБОЧИЙ ОРГАН Оснрвным типом рабочего рргана является дисковый сферический нож (рис. 110). Дисковый нож устанавливается на дискодержателе, который закреплен на плужной балке. Чтобы можно было поднимать по вертикали нож вместе с дискодержателем, в последнем сделано несколько отверстий. Для перемещения ножа по горизонтали предусмотрены отверстия в плужной балке. Рис. 110. Дисковый сферический нож грейдер-элеватора: i — плужная балка, 2 — подкос, 3—ди-чекодержатель, 4 — режущий диск, £ — соединительный диск, 6 — центральный болт Рис, 111. Схема установки режущего диска: / — режущий диск, 2 — транспортер
Геометрия ножа Основными параметрами, характеризующими нож, являются диаметр ножа D (обычно £> = 600+1000 мм) и радиус кривизны г (рис. 111). Последний принимается в зависимости от того, имеет ли нож внутреннюю или наружную заточку. При внутренней заточке г=0,85Д при наружной r—D. Радиус кривизны г выбирается из условий лучшего обеспечения подачи грунта на конвейер и получения меньшей энергоемкости. С увеличением радиуса кривизны энергоемкость снижается, яо при этом ухудшается подача грунта на конвейер. Целесообразней потерять несколько на энергоемкости, но выиграть в нормальной подаче грунта на конвейер. Величина угла резания б, которая в значительной степени определяет энергоемкость процесса, зависит не только от геометрических параметров режущего диска, но также и от угла установки е и угла захвата <р'. Углы резания могут быть определены из следующих зависимостей: в вертикальной плоскости в горизонтальной плоскости Силы, действующие на рабочий орган При работе грейдер-элеватор преодолевает следующие сопротивления: 1. Сопротивление грунта резанию (8.1) где F — площадь срезаемой стружки. Чтобы не оставались большие гребешки (рис. 111) между канавками после прохода диска, шаг t делается меньше, чем проекция диаметра диска на прямую, перпендикулярную направлению движения машины: (8.2)
t <Dcos<р'.
При каждом срезе
F = F1-F2, где F{ — площадь половины эллипса ABCD\
Обычно принимают
в = 65°, с*/ = 45°.
Тогда
F — О, bD2 sin 65° sin 45° = 0,2Z)2    (8.5)
и составляет примерно 0,08—0,2 ж2.
Следовательно,
Pp = kp-0,2D\    (8.6)
2.    Сила трения Pmv\ между диском и грунтом.
Она может быть определена по формуле (5.5).
3.    Сила сопротивления перемещению грунта по поверхности диска для подачи его на конвейер Рв. Специальных исследований в этой области нет, однако с достаточным приближением можно определять эту силу по зависимости, предложейной акад. В. П. Горячкиным:
Рв = sFu,    (8.7)
где е — коэффициент, учитывающий сопротивление, возникающее при отбрасывании вырезанного пласта грунта; и — скорость движения машины.
Экспериментальных данных по определению каждой из указанных выше составляющих пока еще очень мало, поэтому для расчетов следует пользоваться величинами суммарного сопротивления копанию. Так, по данным ВНИИЗеммаша величина k\ составляет:
1,3 кГ/см2 1,6 »
2,5 »
для грунтов II группы » » III » » » IV » Сила сопротивления копанию может быть определена по следующей зависимости: P0l=k1F = Pp + Pmpl+Pe. 4.    Сила сопротивления движению грейдер-элеватора РПер-. Опыты показывают, что составляющая усилия подачи Рп направлена вниз, следовательно, она увеличивает реакции на колесах и величину силы Рпер: Рпер = {0г.э+Огр + Рп)(}2 + 1),    (8.8) где —сила тяжести грейдер-элеватора; Gго — сила тяжести грунта на ленте конвейера. Pn^(0,\ -0.4J Рр. Следовательно, общая величина силы сопротивления движе нию грейдер-элеватора равна: самоходного РСУМ = (Рр + Ртрх + Ре + Рпер) < П,    (8.9) прицепного и полуприцепного Реум = (Рр + РтрХ + Рв+ Рпер) < Ъ-    (8- Ю) Величина Gsp зависит от производительности грейдер-элеватора Я, длины ленты конвейера L и скорости ленты v и может быть определена по следующей зависимости: вгр = qL кн (кГ)\    (8.11) здесь q — сила тяжести 1 пог. м грунта на ленте конвейера; где F — площадь поперечного сечения потока грунта на ленте в м2; у — объемный вес грунта в кн/м3 (кГ/м3). § 3. СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ГРЕЙДЕР-ЭЛЕВАТОР При работе грейдер-элеватора действуют (рис. 112, а): 1)    сила тяжести грейдер-элеватора &г-9 ; 2)    сила тяжести конвейера GK\ 3)    сила тяжести грунта на конвейере Gzp\ 4)    сила тяжести тягача Gr; 5)    силы, действующие на нож Рх, Ру и Pz; 6)    вертикальные реакции на колесах Ri, R2, R3, R4', 7)    силы тяги на ведущих колесах тягача Xi и Xz\ 8)    боковые реакции на колесах Уи Уг, Уз и У4; 9)    силы перекатывания на колесах грейдер-элеватора (этими силами ввиду их незначительности пренебрегаем). Принимаем, что горизонтальная составляющая силы копания Рх равна максимальной силе тяги, развиваемой двигателем на колесах тягача: Рх Т,) шах .    (8.12) Тогда силы Ру и Pz находятся по следующим формулам: Ру = (05-0,7)РХ-    (8.13) Рг = (0,1 — 0,4) Рх.    (8.14)f Силы реакции на колеса могут быть определены с достаточ-ч ной степенью приближения при следующих допущениях: У1=Уа* точка приложения сил на нож находится в одной плоскости с указанными выше силами. Примем, что Vi + V, = Yv, Y3 + К4 = Yu, В первом приближении можно считать, что силы Yj и Ун являются реакциями опор балки, на которую действует момент от силы Рх и силы Ру (рис. 112,а). Можно написать, что Ру (В — h) — рхь2 . При определении остальных реакций следует учесть, что моменты всех сил, действующих на грейдер-элеватор и на тягач относительно оси xi, проходящей через ось горизонтального Шарнира А—А, равны нулю. Чтобы определить реакции Яз и Rit составим уравнение моментов относительно оси xi всех сил, действующих на грейдер-элеватор, и уравнение моментов относительно оси у рис. 112, а и б) RA — Rlbi — Ynh — Gj.A + Pyh — Pzb2 -h GKbb + G2p\ = 0 (8.17) или (R3b3-Ribi) = (Yи-Py)h+ РгЬ2 +Ог. A-GA-VV (8-18) Сумма моментов относительно оси у для системы в целом (/?3 -f Ri)B — PZ(B — /,) — Gz. J, - GJe - GJa + GTt3 = 0 (8.19) или R3 + #4= 4-[P?{B - ^    ^ + Gzp U +GKl5 -Gr /3]. (8.20) По уравнениям (8.18) — (8.20) легко найти реакции R3 и R4. Составим уравнения моментов всех сил, действующих на тягач относительно оси х\, и сумму проекций всех сил системы на ось 2 (рис. 112,б): R^-R^-Yuh^O или
Rx -|- jRa "Ь R3 -г Ri — Pz — Gr G3. э G (8.21) (8.22) I v GK = 0 (8.23) Rx 4- R2 — Pz -f- Gr -f- Ga. 3 + GK -f- Gzp R3 R4. (8.24) ^ Уравнения (8.22) и (8.24) позволяют найти искомые реакции R i и R2. Дополнительно принимаем, что силы тяги равномерно распределены по ведущим колесам, т. е. После определения всех сил можно найти усилия в шарнире, а затем перейти к расчету усилий на металлоконструкциях аналогично изложенном^ гл. IX, § 4. Устойчивость грейдер-элеваторов для транспортных положений проверяется по формулам, приведенным на стр. 43. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ VIII 1.    Начертите схему грейдер-элеватора,и опишите процесс его работы. 2.    Перечислите области применения грейдер-элеваторов. 3.    Вычертите рабочий орган грейдер-элеватора и опишите влияние отдельных геометрических и конструктивных параметров на процесс работы. ч4. Опишите процесс перемещения грунта впереди рабочего органа грейдер-элеватора и напишите зависимости для определения основных сил, действующих на этот рабочий орган. 5. Напишите зависимости для определения сил, действующих на грейдер-элеватор. ]/4 7 Н. Г. Домбровский, М. И. Гальперин Глава IX СКРЕПЕРЫ § 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. ПУТИ РАЗВИТИЯ Скрепером называется землеройно-транспортная машина, приводимая в движение тягачом или собствённым двигателем и предназначенная для послойного срезания грунта, транспортирования и разгрузки его, в большинстве случаев (кроме моделей с разгрузкой назад) с последующими разравниванием и уплотнением. Скреперы применяются в основном для постройки полотна дорог, планирования строительных площадок, на земляных работах в легких и средних грунтах, при перевозке грунта по бездорожью или грунтовым дорогам на расстояние от 0,15 до 5 км с децентрализованной его выгрузкой на значительной площади. ' Процесс работы скрепера происходит следующим образом. Подъехав к месту набора грунта, скреперист переключает тягач на первую передачу и одновременно опускает ковш, приподнимая заслонку. Ковш врезается в грунт под действием собственной силы тяжести и силы тяги трактора и наполняется. Во время заполнения скреперист следит за наполнением ковша, регулируя толщину стружки в зависимости от загрузки двигателя. Обычно ковш быстро заглубляется на максимальную глубину, а затем постепенно поднимается. Путь заполнения колеблется от 8 до 35 м. При выходе ковша из земли скрейерист закрывает заслонку, переводит управление на вторую или третью передачу и направляется к месту разгрузки. У большинства типов скреперов разгрузка производится на ходу, причем грунт обычно высыпается вперед между задними колесами скрепера. В зависимости от емкости скрепера толщина разгружаемого слоя составляет 0,20—0,60 м и регулируется опусканием или подъемом ковша. Путь разгрузки достигает 15—40 м. Во время разгрузки сопротивление движению возрастает, часть мощности двигателя идет на управление ковшом, поэтому во время выгрузки скреперист переключает тягач на первую или вторую передачу. По окончании выгрузки ковш поднимается в транспортное положение, заслонка опускается и скрепер направляется к месту загрузки. Таким образом, работа скрепера протекает непрерывно. Только скреперы с задней разгрузкой в некоторых случаях требуют остановки для разгрузки. При больших объемах работ скреперы работают группами по 10—30 машин, которые движутся по замкнутой линии, имеющей в плане вид прямоугольника с закругленными углами, эллипса, восьмерки или змейки. Остановки делаются только для заправки горючим и смазочными материалами. Как показали исследования, в плотных грунтах можно значительно ускорить заглубление ковша, применяя ступенчатую, выступающую в средней части вперед, режущую кромку, обеспечивающую при врезании более, высокие сосредоточенные нагрузки на 1 пог. см кромки. Скреперы (рис. 2), выпускаемые в настоящее время, могут бцть разделены на три основных типа: прицепные, полуприцеп-ные и самоходные. Прицепные двухосные скреперы с геометрической емкостью ковша 0,75—45 м3 обычно применяют с гусеничными тракторами мощностью 11—290 кет (15—400 л. с.) для работ в условиях переменного рельефа, при перемещении грунта по бездорожью на расстояние 0,05—0,2 км при самой малой емкости и 0,3—0,7 км для более мощных. В исключительных случаях наибольшие пределы могут быть увеличены на 45—50%. При хороших условиях рельефа и наличии дорог прицепные скреперы могут применяться с двухосными быстроходными колесными тягачами мощностью 50—600 кет (70—800 л. с.). Это дает возможность увеличить предельную дальность возки для самых малых моделей в 4—5 раз и до 7 раз для наиболее мощных. Нижний предел целесообразной дальности возки при колесных тягачах также возрастает в 4—5 раз, так как на коротких расстояниях они не могут полностью использовать свою скорость. Однако по эффективности применения такие машины уступают полуприцепным и самоходным скреперам, поэтому использовать их следует для работ небольшого объема при наличии прицепных скреперов и двухосных тягачей, не занятых на других работах. Полуприцепные скреперы изготовляют также емкостью 0,75— 45 м3. При емкости 0,75—6 м3 они чаще всего применяются с гусеничными тракторами мощностью 11—60 кет (15—80 л. с.) и используются для разработки небольших объемов, при коротких расстояниях возки в условиях, требующих высокой маневренности (засыпка пазух шлюзов, небольших котлованов, отсыпка с головы невысоких насыпей и т. д), и в сложных рельефных условиях. При емкости 4,5—45 м3 в хороших условиях рельефа и дорог полуприцепные скреперы применяются с колесными тягачами. Реже они используются с двухосными тягачами мощностью 90— 330 кет (120—450 л. с.), иногда до 500 кет (700 л. с.), чаще с одноосными тягачами той же мощности. В последнем случае их иногда называют самоходными скреперами. Такое название неправильно, так как подобный агрегат не является одной машиной, а состоит из двух машин, каждая из которых может иметь различное применение. Пределы дальности возки при двухосных тягачах с полу-прицепными скреперами почти такие же, как указано выше для прицепных скреперов с незначительным расширением границ (табл. 21). Таблица 2^ Целесообразные средние пределы дальности возки L в км, и мощности тягача N в кет Скрепер Тип тягачей Емкость Гусеничный Колесный двухосный Колесный одноосный ковша геометрическая в м* 0,75—1,5 0,07—0,40 0,10—0,50 0,15—0,60 0,20—0,60 0,25—0,70 0,3 —0,70 0,75—1,5 0,04—0,25 0,06—0,50 0,25—2,2 0,45—2,8 0,2 -2,7 0,4 —3,0 s £ си о 0,5 —3,3 0,45—3,5 >-» <я Ч у 0,9 —4,0 0,4 —4,5 1,0 —5,0 0,9 —6,0 Самоходный скрепер представляет собой скрепер с встроенным двигателем, который располагается обычно сзади. Иногда вместо передней ведущей оси скрепера применяется одноосный тягач. Эти скреперы при одинаковой общей силе тяжести имеют большой сцепной вес, чем прицепные и полуприцепные скреперы при большей мощности, маневренности и быстроходности. В среднем наибольшие скорости гусеничных тракторов составляют 9—11 км/ч, двухосных колесных тягачей — 35—45 км/ч, двухосных седельных тягачей — 70—80 км/ч, одноосных тягачей — 45—60 км/ч. Максимальные подъемы, преодолеваемые груженым полупри-цепным скрепером на первой передаче колесного тягача, составляют 30—35%. Полуприцепные скреперы с одноосными тягачами являются в настоящее время наиболее маневренными и быстроходными землеройно-транспортными машинами. Однако основным их недостатком является то, что на ведущую ось тягача передается только от 52 до 55% силы тяжести груженой машины. Это значительно снижает их тяговые возможности и заставляет прибегать (обычно при заполнении их) к помощи толкача, которым может быть либо двухосный тягач, либо гусеничный трактор со специальным буфером или отвалом бульдозера, упирающимся в буферное устройство скрепера. Еще меньше используется тяговое усилие у двухосных колесных тягачей, у которых на ведущую ось передается 37—38% силы тяжести груженой машины.    г- На рис. 2 показано распределение веса между осями груженого скрепера с тягачом при различных комбинациях тягачей и скреперов. Все конструкции выполнены в одинаковом масштабе для скрепера одной емкости, так что по рисунку можно судить и о сравнительных габаритах машин. Можно видеть, что по общему и сцепному весу гусеничный и колесный с двумя ведущими осями тягачи с прицепными скреперами равноценны. Значительно меньшую общую силу тяжести имеют гусеничный трактор с одноосным скрепером, однако их сцепной вес не намного выше. Существенно повышается сцепной вес у седельного двухосного тягача с полуприцепным скрепером, но применение такого скрепера очень ограничено. Значительно лучшие показатели дают одноосные тягачи с полупри-цепными скреперами и самоходные скреперы. При этом и удельный расход металла у них на 1 м3 емкости меньше на 25—30%. Но величина сцепного веса у скреперов с одноосными тягачами все же недостаточна во многих случаях, поэтому продолжаются попытки создать самоходные скреперы по типу, показанному на рис. 2,е. В этом случае либо устанавливают второй двигатель на задней оси скрепера, оставляя спереди одноосный тягач, либо устанавливают один двигатель с дизель-электрической передачей на обе оси скрепера. В этих случаях сцепной вес равен всей силе тяжести машины. Но даже при только задней ведущей оси сцепной вес таких машин может быть доведен до 75% всей их силы тяжести. Привод оси скрепера от встроенного дизеля при использовании одноосного тягача в качестве передней ведущей оси несколь- 8 Н. Г. Домбровский, М. И. Гальперин ко, усложняет, тем более что обычно двигатель скрепера используется только при наполнении ковша. Вследствие этого основной передний двигатель должен иметь значительную мощность, чтобы транспортировать груженый скрепер с большой скоростью. Дальнейшим развитием этой идеи является создание дизель-электрического скрепера с индивидуальным приводом на все колеса (так называемое «мотор-колесо»). Своеобразное решение самоходного скрепера в виде сменного оборудования на шасси автогрейдера с двумя задними ведущими осями показано на рис. 13. Однако по весовым показателям такая машина значительно уступает рассмотренным выше вследствие рамной конструкции. Сцепной вес этой машины достигает 80% общей силы тяжести груженой машины. Особняком стоит конструкция универсального скрепера-бульдозера, снабженного также оборудованием рыхлителя. Ковш скрепера расположен между гусеницами. Спереди заслонки установлен отвал бульдозера. Привод механизмов ковша и заслонки гидравлический. Относительно большой вес и нецелесообразность применения такой конструкции в качестве скрепера для транспортирования грунта на расстояние свыше 700 м сужает область ее применения. Однако возможность выполнения таких работ, для которых обычный гусеничный бульдозер непригоден из-за дальности транспортирования, например на 350—500 м, а обычный колесный скрепер непригоден из-за недостаточного тягового усилия, делает скрепер-бульдозер на гусеничном ходу чрезвычайно необходимым для многих строительных работ в тяжелых условиях. Он может выполнять отсыпку насыпи с головы, отличается большой маневренностью и мощностью. Основные схемы конструкций скреперных ковшей показаны на рис. 4. Скрепер состоит из рабочего оборудования — ковша, ходового одноосного или двухосного оборудования, механизмов управления ковшом и заслонкой. У прицепных и полуприцепных скреперов прибавляется сцепное устройство, а у самоходных кроме того и силовое оборудование. § 2. РАБОЧИЙ ОРГАН Рабочим органом скрепера является ковш, имеющий на передней кромке днища во всю ширину нож, с помощью которого отделяется слой грунта. Ковш для лучшего наполнения спереди снабжается заслонкой. Заслонка может открываться на определенную величину, вследствие чего изменяется размер щели между режущей кромкой ковша и нижней кромкой заслонки. Величина щели регулируется системой управления в зависимости от толщины сре- заемого слоя и физико-механических свойств грунта. После заполнения ковша заслонка закрывается. Основными параметрами ковша являются: 1)    ширина ковша В, высота Н и длина L\ 2)    геометрия и конструкция режущей части ножа; 3)    форма ковша; 4)    конструкция заслонки. Ковш скрепера является более сложным рабочим органом, чем отвал бульдозера, так как здесь значительно труднее сочетать одновременно наиболее эффективные условия отделения грунта от массива и заполнения ковша. Заполнение ковша зависит от физико-механических свойств грунта. Обычно оно может быть разделено на три фазы, как это видно на рис. 113. При пластических грунтах в начальный период заполнения (первая фаза) грунт движется в направлении, противоположном движению ковша. После того как определенная часть объема ковша будет заполнена, при этом угол у (см. рис. 113JZ) достигнет 75—80°, грунт начнет перемещаться в направлений движения ковша (вторая фаза) и после заполнения некоторого объема пробиваться наверх (третья фаза). В последнем случае происходит как бы кипение, выпучивание грунта. При сыпучих грунтах (рис. 113,6) первая фаза происходит так же, как в предыдущем случае, но угол у имеет значительно меньшие величины. Вторая фаза отличается тем, что грунт ссыпается в направлении движения ковша. Третья фаза характеризуется также выпучиванием грунта. Ширина ковша выбирается так, чтобы ширина колеи задних колес, между которыми устанавливается ковш, примерно равнялась ширине колеи гусеничного или колесного тягача (рис. 114, а). Ширина ковша в этом случае В=КТ-ВШ-2ЬВ,    5(9.1) где Кт — ширина колеи тягача; Вш — ширина пневматической шины скрепера; А В — зазор между наружным краем шины и боковой стенкой ковша. При этих условиях можно разрабатывать выемки, как показано на рис. 114, а, б, в, т. е. с очень пологими откосами. Если ширина колеи скрепера и тягача меньше ширины ковша В, то скрепер позволяет рыть траншеи с вертикальной стенкой (рис. 114, г), Кроме того, ширина ковша должна выбираться так, чтобы скрепер можно было перевозить железнодорожным транспортом без разборки. При заданном объеме ковша следует выбирать максимально возможную ширину ковша, так как чем больше В, а следовательно, чем больше ширина режущего лезвия, тем меньше kv г)
Рис. 114. Расположение колес относительно корпуса ковша и меньше высота Н. При минимальной высоте Я значительно снижаются затраты работы на заполнение ковша, т. е. общая энергоемкость уменьшается. Этому правилу, как видно из табл. 22, и следуют при проектировании скреперов. Таблица 22 Габаритные размеры скреперов Тип скрепера Геометричес-кая емкость ковша в ль* Размеры в м Прицепной.......• Прицепной........ Прицепной........ Прицепной........ Полуприцепной ..... . * Вр — габаритная ширина скрепера. Высота ковша должна быть минимально возможной* так как сопротивление заполнению по высоте ковша возрастает по степенной зависимости, в которой показатель больше единицы. Так как ковш подбирается для машин с известной силой тяги, то высоту его следует назначать такой, чтобы суммарное сопротивление при работе ковша не превосходило то тяговое усилие, которое приводит в движение ковш. / Рис. 1,16. Ступенчатая форма ножа-скрепера
Рис. 115. Кривая заполнения ковша 8 зависимости от угла резания Длина ковша выбирается по известным ширине и высоте ковша и заданному объему. При выборе длины следует учитывать, что с увеличением ее увеличивается сопротивление заполнению и колесная база, а следовательно, чтобы получить заданную прочность и жесткость конструкции при одних и тех же нагрузках, приходится увеличивать размеры несущих элементов, что повышает массу машины. При этом возрастают также необходимые мощность и сила тяги. Анализ современных конструкций показывает, что отношение длины L к высоте Н ковша меняется от 0,8 до 1,0; при этом чем значительнее объем, тем больше это отношение приближается к 1. Ковш состоит из днища, боковых и задней стенок. Днище ковша подвергается значительному износу и динамическим нагрузкам, особенно в момент опускания. Поэтому для увеличения прочности и жесткости к нижней его части приваривают либо усиливающие продольные и поперечные полосы, либо несколько поперечных швеллеров, образующих коробчатое сечение. Различают рамные и безрамные конструкции ковшей. В рамных конструкциях ковши подвешиваются шарнирно к раме на одной неподвижной оси (при раздельном приводе механизмов) или через два дополнительных звена (при одном приводе нескольких механизмов). Боковые стенки в безрамных конструкциях обычно усиливаются продольными и поперечными коробчатыми поясами и связываются с передней аркой и задней балкой. Геометрия и конструкция режущей части ковша. Режущая часть не только отделяет грунт от массива, но и значительно влияет на процесс заполнения. Ножу ковша скрепера, как и ножу отвала бульдозера следовало бы задавать минимально возможные углы резания, чтобы получить минимальную энергоемкость Рис. 117. Способ крепления ножа скрепера: 1 — средний нож, 2 — крайние ножи процесса резания, но, выбирая этот угол, следует одновременно учитывать и условия проталкивания срезанного слоя грунта в ковш. Опыты, проведенные проф. Кюном, показали, как влияет угол резания на процесс заполнения ковша при разных грунтах. Кривая А (рис. 115) соответствует заполнению ковша при» разработке крупнозернистых песчаных грунтов влажностью 8%, кривая В — заполнению ковша при пластичных грунтах с примесью крупного песка влажностью 28%, кривая С — разработке мелкого гравия влажностью 7%. Анализ этих кривых показывает, что угол резания оказывает значительное влияние на заполнение ковша. Следует стремиться увеличивать угол резания и, следовательно, повышать kp, т. е. увеличивать энергоемкость, отдавая предпочтение достижению высокого коэффициента заполнения ковша. Для разных грунтов требуются различные углы резания. По мере наполнения ковша увеличиваются силы сопротивления заполнению, поэтому, чтобы полностью использовать тяговое усилие в конце процесса резания, приходится уменьшать сечение стружки. Толщина стружки с не должна быть меньше определенных заданных величин, так как иначе ухудшается процесс заполнения, особенно для третьей фазы, потому что тонкая стружка не может продвинуться через весь грунт в ковше наверх. Чтобы во время выглубления ковша, а следовательно, и ножа сечение стружки с сохраняло достаточную толщину, нож делают ступенчатым (рис. 116). Тогда при определенном выглублении нож срезает стружку меньшей ширины. Закрепление такого ножа на ковше показано на рис. 117.
Помимо плоской и ступенчатой формы ножи имеют полукруглую форму, иногда кривую с клиновым заострением (рис. 118). Кроме основного ножа, применяются вспомогательные съемные боковые ножи, которые крепятся к нижней части боковых стенок ковша. Они способствуют лучшему наполнению в малосвязных грунтах, удерживая призму волочения от движения вбок за пре-Рис. 118. Полукруглая форма делы ковша. Целесообразно вы-ножа скрепера    полнять ножи составными, так как при поломке или быстром износе одной части заменяется только эта часть. Режущую часть ножа необходимо наваривать твердыми сплавами для повышения износостойкости. Заслонки Заслонки ковшей (рис. 119) делаются самооткрывающимися и управляемыми. Имеются скреперы, у которых вместо заслонки устанавливается скребковый транспортер, и заполнение ковша грунтом производится скребками. При работе ковшей с самооткрывающимися (плавающими) заслонками впереди последней образуется призма волочения, которая перемещается заслонкой, в результате чего возникает сила сопротивления Р. Профиль заслонки и точку крепления шарнира подвески подбирают так, чтобы под действием силы Р заслонка приподнималась. Величина силы Р зависит от профиля заслонки, величины призмы волочения и физико-механических свойств грунта. В последних конструкциях скреперов делают только управляемые заслонки. В этих заслонках (рис. 119,6) профиль заслонки и точка крепления шарнира подвески подбираются так, что заслонка все время стремится опуститься под действием собственной силы тяжести и под действием момента от силы Р. В этой конструкции движение заслонки осуществляется при помощи системы управления. На рис. 120 показаны три положения заслонки. При малом открытии происходит медленное заполнение ковша и впе реди образуется большая призма волочения (рис. 120, а) При большом открытии (рис. 120, б) также не достигается эффективное заполнение, так как образующаяся слишком большая призма волочения препятствует заполнению ковша. Для каждого грунта имеется определенная величина подъема заслонки, при которой обеспечивается наиболее эффективное заполнение ковша (рис. 120, в). В наиболее применяемых ковшах (грейферных) щель между краем заслонки и режущей кромкой составляет обычно 0,5— 0,7 м. В таких ковшах заслонки обычно вмещают около 25—30% общего объема ковша и имеют разную форму. Наиболее типичными являются заелонки с передней вертикальной стенкой и наклонной (под углом 30°) нижней стенкой или же выполненные из трех вогнутых в одну сторону листов с большими торцовыми стенками. При большой емкости стенки заслонок изготовляют двойными. Нижняя режущая часть заслонки имеет заостренную кромку для лучшего отсекания грунта при ее закрывании. Способы разгрузки ковша. Применяются три основных способа разгрузки: свободный, полупринудительный и принудительный (рис. 4). При свободном способе разгрузки грунт может выгружаться вперед или назад (рис. 4, а, е). Для этого ковш поворачивается вокруг точки, лежащей вблизи центра тяжести ковша с грунтом. Этот способ наиболее прост и не требует применения дополнительных устройств. Однако он пригоден только для работы в Рис. 120. Различные положения заслонки зиалосвязных, нелипких грунтах. Этот способ не обеспечивает достаточно точную регулировку толщины разгружаемого слоя. Кроме того, им можно осуществлять разгрузку под откос (при одноосном выполнении). Поэтому ковши со свободной разгруз- кой применяются для скреперов малой емкости на вспомогательных работах. При полупринудительном способе грунт выгружается поворотом днища или задней стенки вместе с днищем относительно боковых стенок и частично выталкивается. Недостатком этого способа является хотя и лучшее, чем при свободной разгрузке, но все же неполное опорожнение ковша, особенно при липках и увлажненных грунтах. При принудительном способе грунт выталкивается вперед выдвижной задней стенкой, горизонтально перемещающейся на роликах в направляющих. Это самый надежный и один из наиболее распространенных способов, который обеспечивает полную разгрузку любых грунтов. Его недостатками являются большие усилия, которые необходимы для перемещения задней стенки, так как требуется сдвиг всей массы грунта в ковше. § 3. СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА РАБОЧИЙ ОРГАН При работе скрепера в зависимости от выполняемой операции и положения скрепера возникают следующие силы сопротивления 3: 1.    Сила сопротивления резанию грунта Рр. Она гложет быть определена по формуле (5.4), т. е. также, Как для бульдозеров. Однако при этом надо учитывать, что для ковшей со ступенчатым ножом площадь сечения стружки F должна подсчитываться по формуле F = (В — fej) с + Ь^,    (9.2) где Л —ширина ковша; &1 — ширина среднего ножа; С] — глубина резания среднего ножа; с — глубина резания крайних ножей (толщина стружки).. 2.    Сила трения ножа о грунт Ртр\ определяется так же, как для бульдозеров. 3.    Сила сопротивления перемещению призмы волочения Р„р определяется по формуле (5.6); объем призмы волочения V = i,ВН\    (9.3) где у—коэффициент объема призмы волочения, равный приблизительно 0,6. 4.    Сопротивление заполнению ковша Раап (рис. 121). Сила сопротивления Р зап достигает максимальных значений при окончательном заполнении ковша, т. е. в третьей фазе заполнения (см. рис. 113). Это сопротивление складывается из: а) сопротивления грунта подъему в ковше Рп0д> которое условно равно силе тяжести столба, проталкиваемого в ковш грунта: Рпвд = ВсНъ    (9.4) где Н — высота заполнения ковша; В — ширина ковша;    . Рис. 121. Схема сил, действующих при заполнении ковша: ^под' Ртр ~~ силы сопротивления соответственно подъему грунта в ковше и трению движущегося вверх столба грунта, G — сила тяжести грунта в призме давления, Q0 — результирующая сила давления грунта в призме давления на столб грунта, проталкиваемого в ковш, Q — результирующая сила сопротивления грунта, действующая по поверхности выпирания АВ б) сопротивления трению Рщр между движущимся вверх столбом грунта и грунтом, находящимся в ковше: Р тр = 2Рбок$1, где Pg0K — боковое давление (нормальное давление) на движущийся вверх столб грунта со стороны грунта, уже находящегося в ковше; /i — коэффициент трения грунта о грунт. Для определения величины Рбок принято, что та часть объема грунта в ковше, которая создает давление Pg0K, ограничивается сверху поверхностью откоса, а снизу — поверхностью выпирания, очерченной на схеме прямой А—В, под углом к горизонту 0.* Между силой Рбок и силой тяжести призмы грунта в этом объеме* имеет место следующая зависимость: Рбок _ sin (6 + <р) G cos <р    cos 0 ’ которая вытекает из анализа треугольника сил (рис. 121). (9.5)
■ tgfi + tg £ (9.7) =х, Рис. 122. Кривые сопротивлений, возникающих при разной высоте заполнения Я:
1
X
,(tg/! • tg £) (9.6)
•tg '
При е=ср выражение (9.6) принимает вид
— Н2Вч — 2 ' (I
Р бок-
1
Обозначив «ь. .ь.. (1 + tg2 ф) получим,что Ртр = H*Bixfv (9.8) Из анализа зависимости (9.8) видно, что сопротивление заполнению пропорционально квадрату высоты заполнения. Сила сопротивления заполнению
/ — сила тяги по сцеплению, 2 — суммарная сила сопротивления, 3 — сила сопротивления резанию для условий, когда нож не выглубляется, 4 — сила сопротивления резанию при постепенном выглублении ножа РСум*5 — сила сопротивления заполнению, 6 — сила сопротивления перемещению скрепера, 7, 8 — кривые изменения толщины стружки для получения силы Р
Сила тяжести грунта в призме давления G = — НЩ-1 После подстановки выражений для G и тригонометрических преобразований получим
зап — п •> тр- (9-9) 5. Сила сопротивления перемещению скрепера PneP.c = (Gc + V-()f2, (9.10) где f2 — коэффициент сопротивления перекатыванию колес; V — объем ковша.
РбоК^~Н^ВТ
Р+Р,
X
1
tg,(0 + 9)
Следовательно, общее сопротивление перемещению скрепера Р сум — Ьр\Ф ^i)с + Ь1с1 ] -f- fP п + ВсН 7 -j~ + H'BixU + уВН% + (G- + V-;) /2.    (9.11) На рис. 122 приводится характерный пример зависимости величин отдельных составляющих общего сопротивления, возникающего в процессе работы скрепера, при разной высоте заполнения ковша. Из этих кривых видно, что если не снижать толщину стружки с (см. кривые 7 и 8), то суммарное сопротивление (кривая 2), становится больше тяги по сцеплению (кривая 1). § 4. СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА СКРЕПЕР Помимо рассмотренных сил, действующих на рабочий орган, при работе скрепера действуют: 1.    Вертикальные реакции на передних Rn и задних R3 колесах (у полуприцепного скрепера передние колеса являются колесами тягача). 2.    Вертикальное Rm и горизонтальное Т ш усилия на шкворне прицепного и полуприцепного скреперов. 3.    Силы тяжести скрепера Gc, прицепного оборудования Gduut и тягача От. 4.    Силы, возникающие в механизмах управления ковшом скрепера S. Величина этих сил зависит от условий работы. Расчетными являются следующие условия: окончание заполнения ковша; начало выглубления заполненного ковша; конец выглубления ковша; поворот груженого скрепера на малых радиусах; разгрузка ковша, т. е. подъем заслонки и поворот днища или передвижение задней стенки для разгрузки; транспортное положение скрепера. ■ Анализ, проведенный канд. техн. наук Д. И. Плешковым и В. М. Гольдштейном, показал, что максимальные усилия на отдельные детали и узлы скрепера действуют в следующих случаях (рис. 123). 1. При начале выглубления, т. е. когда прекратилось заполнение ковша. Обычно принимают, что вертикальная составляющая Рп = 0. В действительности это условно, так как до полного выглубления ножа из грунта действует какая-то сила Р„. 'Для этого положения определяются величины максимальных значений реакций Rn и R3 и горизонтальных сил Rm и Rt3 , действующих на колесах прицепного скрепера или на задних колесах тягача и колесах полуприцепного скрепера. Эти реакции могут быть определены из системы уравнений 22=0; 2Мо = 0. % Рис. 123. Схемы сил, действующих на прицепной (а) и полуприцепной (б) скрепер Для прицепного скрепера Gc-Rn-R3 = 0;    (9.12) GJLq - (Тт - Rnh) (К 4-hp- h3) -}- (Рр + РТр) h3 - -RnL+ Ттоя (hr3 ~h3)= 0,    (9.12a) где hn, hp, h3, hr3— плечи соответствующих сил (рис. 123). В процессе выглубления ковша величина (Рр+Ртр) все время уменьшается, однако для расчетов на прочность мы^принимаем ее постоянной и равной максимальному ее значению. После того как будут найдены реакции Rn и R3, можно определить величины горизонтальных сил RTn и Rt3i RTn = RnU    (9.13) Rt3 = RJ2-    (9.Н) Величина свободной тяги Тс = (Тт-\-ТТол)— (Rn -VR-^fi-    (9.15) Для полуприцепного скрепера Gr-j-G£ — Rn — R3 — 0;    (9.16) Ge (In -10) + Rn{L- In )-<Тш- Rn h) (K + Ю = 0- (9.17) Величины Rm и Rt3 а также Tc определяются по тем же зависимостям, что и для прицепного скрепера. 2. При конце выглубления, т. е. когда ковш извлечен из грунта, вывешен на ноже и задние колеса подняты над поверхностью грунта. Для этих условий работы реакции R3 = 0 и Ртз = 0. Реакции Rn и Rn могут быть найдены из следующей системы уравнений. Для прицепного скрепера Gc-Rn-Pn = 0;    (9.18) GJq — (Тт — RJd (h3 — hp) + (Pp + PTp) h3 -RnL-Pnln = 0.    (9.19) В данных условиях сила трения ножа о грунт ртр = P„f, где Р„ — реакция от давления грунта на нож в результате перемещения ковша по грунту без резания. (9.21)
Gc (In- lG) - GT(H + L-l„) + Rn{L - ln) - PToJiTa = 0. (9.22) Величины Rm и Rt3 определяются по зависимостям (9.13) и (9.14) как для прицепного, так и для полуприцепного скреперов. Для расчетов необходимо определить тягу на универсальном шкворне Т т\ Тш = Тт — RTn. (9.23)
При определении указанных выше реакций для прицепного скрепера можно не учитывать влияние сильОгяжести дышла, соединяющего ковш скрепера с тягачом Gdutu, которая для скрепера емкостью 10—15 м3 составляет 3,5—4,0 кн. Реакцию на колесах скрепера вызывает только часть этой силы (примерно 2/з), т. е. около 2,5 кн, что составляет не больше 2—3% силы тяжести ковша с грунтом. 3. При транспортном положении (движение с большими скоростями на горизонтальном участке грунтовой дороги). Для прицепного скрепера реакция Rn может быть определена из следующей зависимости: k()Grlc где kd=\,2 — коэффициент динамичности для прицепных скреперов. Вертикальная реакция на универсальный шкворень в месте крепления (9.26) где Gпм—-сила тяжести переднего моста. Для полуприцепного скрепера вертикальные реакции на колеса равны kdGT (H+L) + kdGcla L (9.28)
R-з — kd Gt + kd Gc Rn, 9 H. Г. Домбровский. М. И. Гальперин где kd = 2— коэффициент динамичности для полуприцепного скрепера. В шкворне, соединяющем дышло полуприцепного скрепера и тягач, кроме реакции R и Тш, действует также момент Мш: Rm=hGr — Ra\    (9.29) Мш = kfiT V - RTп hM - Rn а,    (9.30) Rm = RJi,    (9.31) где V — расстояние от точки приложения силы Gr до оси шарнира. § 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСИЛИЙ, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ УПРАВЛЕНИЯ Основными механизмами управления скрепера являются: механизм подъема и опускания ковша; механизм управления заслонкой; механизм разгружающего устройства. Механизмы управления выполняются канатными или гидравлическими. Принципиальная особенность канатного управления заключается в том, что ковш или заслонка поднимаются лебедкой и полиспастами, а опускаются под действием собственной силы тяжести. Такое устройство состоит из лебедки, приводимой в движение от коробки отбора мощности тягача, тягового каната и подъемного полиспаста, устанавливаемого'на скрепере. Для направления каната во время взаимных перемещений тягача и ковша скрепера на лебедке и на хоботе устанавливаются флюгерные блоки. Определение усилий в механизме подъема и опускания ковша Сила 5, действующая в механизме управления ковшом скрепера, определяется при рассмотрении условий, когда: 1)    ковш удерживается в поднятом положении;
2)    ковш поднимается при его выглублении. Усилие подъема ковша в прицепном скрепере воспринимается точками крепления передка скрепера к ковшу, поэтому сила 5 (рис. 124), необхо-Рис. 124. Схема расчета усилий для Димая для удержания ковша подъема ковша    в поднятом положении, может моментов относительно точки крепления передка к ковшу (точке О). В полуприцепном скрепере помимо рассмотренных сил действует еще момент Ммв шкворне. Сила S может быть определена по следующей зависимости: с    Gnl(j ТШЯ т мш г> = -j-,    (У.^ч) где /с, Ig, Is и hT — плечи соответствующих сил. Определение усилий, действующих на заслонку При открытии заслонка увлекает за^ербой часть грунта, который затем высыпается. Для простоты расчета и для большей надежности принято считать, что заслонка поднимает весь слой грунта, находящийся в ней. Это очень близко к действительности в начале открывания. Принимаем, что наибольшие усилия открывания заслонки возникают, когда ковш загружен «с шапкой». Следовательно, при открывании заслонки приходится преодолевать давление грунта, находящегося под заслонкой; трение грунта о грунт; силу тяжести самой заслонки. Сила тяжести грунта, находящаяся в объеме заслонки, зависит от ширины заслонки В, высоты Я, объема части «шапки» грунта над заслонкой (рис. 12), от длины I и от формы заслонки. Определить точно силу тяжести грунта, находящегося в объеме заслонки, можно было бы по частям. Для приближенных расчетов можно определить площадь проекции заслонки F на вертикальную плоскость. Тогда сила тяжести грунта в объеме заслонки V будет равна Gap. 3 = kBHt't,    (9.34) где k — коэффициент, учитывающий конфигурацию заслонки; установлено, что для многих заслонок можно принять * = 0,8. Для определения сил трения грунта о грунт принимаем, что на поднимаемый заслонкой грунт давит объем грунта, находящегося в ковше, ограниченный поверхностью АС и плоскостью АВ. Сила тяжести этого объема грунта равна LHB\
нормальная сила N N = Ge tg tp    (9.36) и, следовательно, сила трения PT„.=Nfv    (9.37) Усилие, которое должно развивать гидравлическое или канатное устройство для подъема заслонки, зависит от схемы рас положения подъемного устройства. Это усилие обычно определяется уравнением моментов относительно оси поворота заслонки (точки О). При гидравлическом управлении заслонка обычно поднимается при помощи двух цилиндров. Для схемы, показанной на рис. 125, усилие, развиваемое каждым цилиндром, равно 1 PTpk+Ga^3h + G3l3 (9.38)
5й~Т    и где l\, h, /3 и U — плечи соответствующих сил. Определение усилий, необходимых для управления разгружающим устройством Эти усилия зависят от схемы разгрузки. Для полупринудительной разгрузки (рис. 126) максимальное усилие, необходимое для опрокидывания ковша, нужно приложить в начале опроки- дывания. Величина этого усилия может быть определена из уравнения моментов относительно оси поворота О (рис. 126, а) (9.39)
где Gzd — сила тяжести всего грунта в ковше; GdH—сила тяжести днища; К h, h — соответствующие плечи сил. Для принудительной разгрузки (рис. 126, б) максимальное усилие для разгрузки ковша необходимо приложить в начале
Рис. 126. Схема усилий, действующих при разгрузке движения задней стенки, так как в это время сила тяжести грунта будет наибольшей. Так как во время разгрузки грунт движется по днищу, а задняя стенка движется на роликовых опорах, то необходимо преодолеть сопротивление сил трения грунта о днище и сопротивление качению роликов задней стенки по днищу. Следовательно, где Gcm — сила тяжести задней стенки; fK— коэффициент сопротивления качению, равный 0,1 — Для свободной разгрузки величина усилия 5 определяется из уравнения моментов относительно точки поворота ковша скрепера: (йгр + Gk) h (9.41)
где GK — сила тяжести ковша; h и h — соответствующие плечи сил. § 6. УСИЛИЯ НА СКРЕПЕРЕ, ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ ПРЕОДОЛЕНИИ ПРЕПЯТСТВИЯ Расчет возможности скрепера преодолевать препятствия при движении проще всего провести, оценивая, из какой глубины ко-1 леи может выехать скрепер при повороте передних колес на 90°. Здесь возможны различные варианты, однако практически более осуществимым является выезд задним ходом. Силы, действующие при этом, показаны на рис. 127. Реакция на передней оси где Gt—сила тяжести тягача; G — сила тяжести скрепера. Реакция на заднем колесе / GT I
(9.43)
В •
Rs = -y (Or + G - Rn) +
Реакция на заднем колесе 2 R3=,-±(Gr+G-Rn) (9.44)
В
Для выезда наиболее нагруженного колеса 1 из колеи глубиной h (рис. 127) необходимо к колесу 1 приложить силу (9.45) = V'o —(г с — h)1 ■
где
а =
Сила Р связана с тягой тягача следующей зависимостью: (9.47)
Т»~Тт — (G + GT)f2- Подставив в уравнение (9.45) значение Р из выражения (9.46), получим 52
Решив последнее уравнение относительно h, получим после преобразований h~rc 1 Значение h должно быть не более ’/г fc. § 7. СКРЕПЕРЫ СО СКРЕБКОВЫМ КОНВЕЙЕРОМ Расчеты показывают, что 40% от суммы сопротивлений, действующих на скрепер, составляет сопротивление заполнению ковша. В последнее время появились скреперы, в которых ковш заполняется при помощи конвейера (см. рис. 12). Длина скрепера, оборудованного конвейером, больше, чем у обычного скрепера. При расчете этого скрепера важно выяснить, помимо параметров, которые определялись для обычных скреперов, величину угла установки конвейера, мощность на привод' последнего и его производительность. 1. Конвейер устанавливают (см. рис. 12) под углом а^ср (угла естественного откоса), сброс грунта в ковш происходит в точке т. Угол установки в значительной степени определяет длину ковша L. Грунт, сбрасываемый с конвейера, заполняет ковш, ссыпаясь под углом естественного откоса <р; таким образом, сначала заполняется объем Vzi, затем V2. Точку т, а следовательно, и длину конвейера надо выбирать так, чтобы можно было заполнить ковш «с шапкой» и чтобы при этом грунт не высыпался за заднюю стенку ковша. Производительность конвейера может быть подсчитана по следующей формуле: п = moBiv, где В— ширина конвейера; I — высота скребка; v — скорость конвейера. Эта производительность должна обеспечивать подачу в ковш всего грунта, который срезается ножом скрепера. Следовательно, можно написать, что откуда где F—сечение стружки; S — скорость перемещения скрепера при резании. По известным В и / подбирается значение v. Мощность конвейера может быть приближенно подсчитана следующим образом. При длине конвейера L сила тяжести находящегося на нем материала будет составлять GM=qL кг, где q — сила тяжести грунта, приходящаяся на 1 пог. м конвейера. Сила тяжести конвейера GK = 2 q'L, где q' — сила тяжести 1 пог. м конвейера. В процессе движения конвейер преодолевает силы трения о грунт, находящийся в ковше скрепера. Эти силы трения переменны и зависят от высоты заполнения ковша. Рис. 128. Схема сил, действующих на конвейер
Для расчетов необходимо принять условия, когда ковш заполнен. Величина этих сил трения равна нормальному давлению R конвейера на грунт, умноженному на коэффициент трения. Следовательно, общее сопротивление (рис. 128) W = GM sin a -f GM cos аш -f-+ GK cos am -(- Rf, где со ■— общий коэффициент сопротивления перемещению конвейера с грунтом. Сила GKsina уравновешивается силой тяжести опускающейся (холостой) ветви конвейера, поэтому она не вошла в зависимость для определения общего сопротивления. Мощность привода Ок    , Rf — cos аш -j-
GM Sin а 102
Wv
М--
V.
102
102
102
Высота перемещения грунта H=L sin а, длина горизонтальной проекции конвейера Lr=L cos a. Подставив эти значения в предыдущую формулу, получим (q+2g')Lvw cos я . ' Rfv _ qHv 102 102 ~ 102 АГ oLusina , N = --->"
102
(q + 2g) Lrv<>-102
кв.т
то Если подсчитать по этой зависимости мощность, необходимую для работы конвейера, то она составляет не больше 20% от мощности, расходуемой на преодоление сопротивления при обычном заполнении. Так как q=-, 3,6-и
Длина Lh и высота Я& ковша скрепера, отвечающие условиям, при которых грунт не будет высыпаться дальше задней стенки, могут быть подсчитаны по следующим зависимостям (рис. 12): где 1/е—общий объем грунта в ковше «с шапкой»; Ширина ковша подбирается как у обычного скрепера в зависимости от ширины колеи. § 8. ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ СКРЕПЕРА Производительность скрепера может быть определена по следующей зависимости: где q — геометрическая емкость ковша скрепера; kH—коэффициент наполнения ковша скрепера, равный 0,6— 1,25, в зависимости от физико-механических свойств и состояния грунта и квалификации водителя; <7i — объем рыхлого грунта в ковше скрепера; ke — коэффициент использования рабочего времени, равный 0,85—0,9; kv — коэффициент разрыхления грунта, равный 1,1 —1,4; Ти — продолжительность цикла в сек; Здесь h, k, h, U— длина пути (соответственно) заполнителя, транспортирования грунта, разгрузки и порожнего скрепера; vi, v2, v5, о4— скорости движения (соответственно) при заполнении, груженого скрепера, при разгрузке и порожнего скрепера; tn — время на переключение передач; r tnoe — время на повороты скрепера. Для повышения производительности скрепера нужно добиваться максимальных значений коэффициента наполнения и уменьшения времени рабочего цикла. § 9. ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА Пример 1. Расчет усилий, действующих на рабочий орган скрепера Д-354. Исходные данные:    ' ширина ковша В= 1,9 м (1900 мм); ширина среднего ножа &i = 0,65 м (650 мм); высота заполнения ковша # = 0,9 м (900 мм); объем ковша скрепера У=2,75 ж3. Решение. 1.    Определяем силы сопротивления резанию грунта III категории по формуле (5.4): Рр — hpF; по табл. 12 (см. гл. V) kp принимаем равным 1,1; F = (В — Ь{) с + Ь^, где с — глубина резания крайних ножей, равная 50 мм — 0,05 м; с 1 — глубина резания среднего ножа, равная 150 лш = 0,15л!; F = (190 — 65)-5 + 65-15 = 1600 см2 = 0,16 м2; Рр = 1,1-1600= 1760 кГ= 17600 и. 2.    Определяем силу трения ножа о грунт РтР1 = PJ, где Pn = k2F'. Принимая ширину площадки затупления равной 1 см, получим F' = 190-1 = 190 см2 = 0,019 м2; по имеющимся экспериментальным данным величину k2 принимаем равной 13 кГ/см2, тогда Рп= 13-190 = 2470 кГ = 24 700 н, следовательно, Pmpi=2470-0,5 = 1235 кГ = 12 350 н. 3.    Определяем силу сопротивления перемещению призмы волочения Рпр, пользуясь формулой (5.6): РпР=УфЧ! 1. где Vф= ВН2у. Принимаем у — коэффициент объема призмы равным 0,6, а высоту заполнения ковша равной 900 мм, тогда УФ = 1,9-0,92- 0,6 = 0,925 м3; Рпр = 0,925-1750-0,5 = 815 кГ = 8150 я. 4.    Определяем силу сопротивления заполнению ковша Р — Р 4- Р л зап 1 под > х трч где Р под — сопротивление грунта подъему в ковше определяем по формуле (9.4): р»од = ВсНг, Рпод= 1,90-0,15-0,90-1750 = 450 кГ = 4500 н\ Ртр — сопротивление трения между движущимся вверх столбом грунта и грунтом, находящимся в ковше, определяем по формуле Ртр = 2iWr== Я25Т ф —угол естественного откоса принимаем равным 34°; fi — принимаем равным 1,0; Ртв = 902-190-1750-1--- 1 = 1620 кГ = 16200 и; тр l-j-tg234° Рзап = 450 + 1620 = 2070 кГ = 20 700 н. 5.    Определяем силу сопротивления перемещению скрепера по формуле (9.10): Рпер. с = (G + Vi-) /3. Принимаем коэффициент сопротивления перекатыванию колес скрепера ^2=0,1; объем ковша скрепера V=2,75 м3. Следовательно, сила тяжести скрепера без грунта составляет 2420 кГ; Рпер. с =(2420 + 2,75 ■ 1750)-0,1 кГ = 7300 н. Пример 2. Построение кривых Рр; Рзап\ Рпер\ Тсц в зависимости от изменения высоты перемещения грунта. Исходные данные те же, что в примере 1 (см. рис. 122). Определяем точку 1: Я]= 10 сл{ = 0,1 м; РР1 = 1750 кГ = 17 500 к; Рзап1=0,1 (1,9-0,15.1760 + 0,1 • 1760 • 0,6) =70 кГ = 700 н. Для определения зависимости усилия сопротивления перемещению скрепера от высоты заполнения по формуле Рзап = = РПод-\-Ртр находим зависимость объема заполнения ковша от высоты заполнения по формуле [де 2 — коэффициент объема; Ф — угол естественного откосу, равный 34°. Определяем коэффициент объема для нашего примера: 2 = YJSJL = _M5tg34^ = j 2 тв " 0,92-1,9 Следовательно, V = 3,4 Я2. Тогда = (°с+ 3,4Я] т) /2; Pnep.Cl = (2420 + 3,4• 0,12-1750)-0,1 = 247,95 кГ = 2479,5 н. Определяем точку 2: Н2 = 30 см; РРг = 1760 кГ= 17 600 к; 2 = 0,30 (500 + 300-2) = 330 кГ = 3300 и; Рпер. с, = (2420+0,32-595)-0,1 = 296,6 кГ = 2966 «. Определяем точку 3: Н3 = 60 см — 0,6 м\ РРя= 1760 кГ = 17600 к; Рэап. з= 0,6 (0,5 + 0,6-2) = 1020 кГ = 10200 я; РпеР. с3 = (2420 + 0,62-595)-0,1 = 456 к Г = 4560 н. Определяем точку 4: #4 = 0,9 м = 90 см\ pPi= 1760 кГ = 17 600 «; Рза„. 4= 2070 кГ — 20 700 и; рл^.с4 = 730 кГ = 7300 н. По найденным точкам строим кривые Рр; Рзап] Р „ер.с-Пример 3. Определение рациональной глубины резания. Исходные данные те же, что в примере 1, 1. Определяем тяговое усилие по сцеплению где сцепной вес .тягача принимаем равным весу тягача на гусеничном ходу, Gcli = 5400 кГ; коэффициент сцепления ф = 0,74; Тсц = 5400-0,74 = 4000 кГ = 40 000 н. 2. Из формулы (5.4) находим зависимость толщины стружки для среднего и для крайнего ножей от изменения усилия резания грунта: Рр = KF’ Рр = kP[(B~ bx)c+ biCj], сх = с + /г; тогда Рр = kp [{В — b1)e + Ъх (h + с)]; Рр = kp{B — bx) с + kjbjh + kpbjC, откуда P„ — k„b,h 3. Строим сечение стружки для таких усилий резания грунта, чтобы тяговое усилие по сцеплению превышало суммарное усилие от усилия сопротивления резанию, заполнению ковша и перемещению скрепера: 1) при Рр= 17600 н (1760 кГ) получаем    г I    с' — 5 см; с 1 = 15 см = 0,15 м. а) при Р"р = 16 00 н (1600 кГ\ получаем • = J600 - 1.1J5-10 = 4 23 = о 0423 м; с! = 4,23+ 10= 14,23 = 0,1423 л<. 3)    при Р;" = 1420 кГ= 14200н получаем с"’ = —20.— 7— = 3,37 см = 0,0337 м; с” = 3,37 + 13,37 см = 0,1337 м. 4)    приР™ =1220 кГ= 12 200 н получаем civ = _1220_- 715_ = 2,42 см = 0,0242 л; c'v = 2,42 + 10 = 12,42 см = 0,1242 л. Пример 4. Расчет производительности скрепера Д-354. Исходные данные: скорость движения на первой передаче Vcm =3,59 км[ч; скорость движения на высшей передаче vCK max=7,9 км/ч; емкость ковша g=2,75 м3. Решение. Определяем производительность скрепера по формуле j-j_ 3600qkHken ^ . Принимаем: коэффициент наполнения ковша kH — Q,9; коэффициент разрыхления &р = 1,75; коэффициент использования скрепера по времени £„=0,85; количество скреперов, присоединенных к одному тягачу, /1=1. Определяем продолжительность одного полного цикла •г, = л. + -А- + Л. + Jf_ + t + 2t,„. V1    Vz    v3    Vt Скорость движения при заполнении ковша vi=0,7 VcK= = 3,59-0,7 = 2,513 км/ч. Скорость движения груженого скрепера у2 = 0,6 vCK max= =0,6-7,9 = 4,74 км/ч. Скорость разгрузки скрепера у3 = 0,75 vck max=0,75-7,9 = = 5,94 км/ч. Скорость холостого хода v4 = 85 vCK max = 0,85-7,9 = 6,74 км/ч. Длина пути наполнения скрепера 1 __ ФнК _ Принимаем: площадь стружки Z7=0,155 м2; коэффициент, учитывающий потери грунта при образовании призмы волочения и боковых валиков, 1,3; 0,7 — коэффициент, учитывающий неравномерность толщины стружки; , 2,75-0,9-1,3 1сп I = —:-:-:— = 16,9 м. 0,7-0,155-1,75 Далее принимаем путь перевозки грунта 4=200 м\ путь разгрузки скрепера /з=Ю м; длина пути холостого хода 4 = 220 м. Тогда продолжительность времени набора грунта , 1г 16,9 16,9 пл , ■    t, — —= —— = —- = 24,1 сек; vt 2,513 0,7 продолжительность времени на перевозку грунта .    /2 200 200 1 сп t2 — —- — =-= 150 сек. v2 4,74 1,33 Продолжительность разгрузки ta — —- = = 6,05 сек. 3 5,94 1,65 Продолжительность холостого хода Принимаем: время на переключение передач is — 5 сек; время на поворот скрепера in0B = 15 сек. Тогда продолжительность одного цикла tj= 24,1 + 150 + 6,05+ 118 + 5 + 30 =333,15 сек. Откуда производительность скрепера П = -3600-2,75-0,9-0,85_1 = 130 ^ 333,15.1,75 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ IX 1.    Начертите схемы прицепного и самоходного скрепера и покажите распределение нагрузок на осн. 2.    Перечислите области применения скреперов. 3.    Опишите процесс работы скрепера. 4.    Вычертите гидравлическую схему скрепера. 5.    Вычертите схему режущей части (ножа) скрепера и напишите основные зависимости для определения сил, действующих на рабочий орган. 6.    Начертите схему заполнения скрепера и напишите основные зависимости для определения сил сопротивление заполнению скрепера. 7.    Напишите зависимость для определения суммарного сопротивления-перемещению скрепера. 8.    Начертите схему сил, действующих на скрепер, и напишите основные зависимости для их определения. 9.    Начертите схемы заслонок и напишите зависимости для определения-сил, действующих на заслонку. 10.    Рассчитайте и начертите кривую глубины резания, при которой сопротивление движению скрепера будет равно тяговому усилию. 11.    Приведите основные зависимости для определения производительности скрепера. АВТОМАТИЗАЦИЯ ЗЕМЛЕРОЙНО-ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН § 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕЖИМОВ Из рассмотрения способов управления землеройными машинами видно, что пока еще осуществлено управление только перемещениями рабочего органа и механизмами, перемещающими машину в целом. Существующие системы управления настраивают работу машины на получение наивыгоднейших режимов, например глубины и скорости копания в зависимости от физико-; механических свойств грунта, от изменения сопротивления при наполнении ковша и т. д. Однако системы управления большинства машин не обеспечивают перемещение рабочих органов по заданной траектории для получения нужных профилей поверхности. Только начаты работы по созданию автоматов, позволяющих подсчитывать объем выполненных работ, С увеличением мощности землеройных машин и усложнением их кинематических схем необходимо иметь автоматические системы, предупреждающие поломки и аварии. Решить указанные задачи можно лишь в том случае, если известны данные о характере протекания процессов и условий* которые должны быть подвергнуты автоматизации. Рабочий орган любой землеройной машины обычно работает в условиях непрерывно изменяющихся нагрузок. Помимо влияния конструкции рабочего органа, а также динамики процесса резания это в значительной степени объясняется неоднородностью физико-механических свойств грунта. Для машин типа скреперов, бульдозеров, грейдеров и т. п. изменение нагрузки происходит также из-за постоянно меняющейся толщины срезаемого слоя. Когда нагрузка падает ниже^ значения, соответствующего номинальной мощности привода, появляется резерв мощности или тягового усилия. Можно было бы, очевидно, увеличить скорость движения машины, т. е. ее производительность. На тех участках работы, где нагрузка превышает, номинальное значение, двигатель привода, а также рабочие узлы-машины работают с перегрузкой и в этом случае необходим», снижать скорость движения, чтобы привести режим работы в -соответствие с установленной мощностью или тягой.    S При ручном управлении практически невозможно следить 3ft непрерывным изменением нагрузки на рабочем органе и изменят!»: »в соответствии с этим режим работы. Между тем такое измене--,ние режимов позволило бы максимально использовать конструк- I ОБЩИЕ ВОПРОСЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ 263. -7---- тивные данные машины, а также предохранить узлы от преждевременного выхода из строя. Рационально изменять режимы работы возможно лишь при наличии системы автоматического управления. Изменение режимов может осуществляться: 1.    Изменением скорости резания vp. 2.    Изменением скорости движения машин. Для землеройно-транспортных машин (скреперов, бульдозеров, грейдеров) скорость перемещения машин является одновременно и скоростью резания. 3.    Изменением толщины срезаемого слоя с. В первых двух случаях на машинах может быть установлен автоматический регулятор, поддерживающий постоянную мощность привода путем изменения передаточного числа в механизме-перемещения.    i В третьем случае регулятор воздействует на механизм установки рабочего органа, изменяя глубину резания. На тех режимах работы, когда производительность лимитируется мощностью привода, целесообразно регулировать эти режимы так, чтобы поддерживать номинальное значение мощности. На других режимах при малых скоростях перемещений машин производительность может лимитировать не мощность привода, а тяговое усилие, которое по условиям сцепления не должно-превышать определенной величины. В этих случаях регулировать режимы следует путем ^поддержания постоянной наибольшей возможной величины тягового усилия. Рассмотрим некоторые случаи автоматического регулирования режимов и условий работы. Регулирование режимов работы. По длине пути прочность грунта резко меняется (рис. 129). Так, если среднюю прочность-принять за 100, то пределы колебания прочности могут в отдельных случаях составлять от 40 до 500. В результате такой неоднородности тяговое усилие резания все время колеблется, почти следуя за изменением величины прочности. Если установить-глубину резания исходя из средней прочности, то на участках, где прочность меньше средней, машина будет работать с пониженной производительностью, а на участках, где прочность превышает среднюю, машина начнет буксовать. В связи с этим' глубина резания на машине устанавливается заниженной, соответствующей не средней прочности, а более высокой. При выборе режимов необходимо учитывать не только прочность, но и другие физико-механические свойства грунта, нали-' чие твердых включений и т. д. Очевидно, если установить на машине взаимную связь между' тяговым усилием и глубиной резания так, чтобы путем изменения глубины поддерживать постоянным тяговое усилие, то можно-повысить производительность машины. Если при этом еще изме- нять скорость резания в зависимости от условий, то можно наи-; более эффективно использовать все параметры машины. Такое комплексное решение системы автоматического регулирования двух параметров (скорости и глубины резания) является технически трудно выполнимым, кроме того, не всегда бывает ясно, что целесообразнее изменить-—глубину или скорость резания,; поэтому в настоящее время ограничиваются регулированием одного параметра — глубины резания. Длина пути Рис. 129. Кривая изменения напряжений в зависимости от длины пути В частности, для характера изменения прочности, показанного на рис. 129, регулированием глубины резания можно повысить производительность на 40—50%.    j Простейший способ регулирования тягового усилия может' быть применен путем установки в узле крепления ножа к тягачу гидравлического домкрата. В этом случае устанавливается автоматический регулятор давления. Этот регулятор состоит из чувствительного элемента — золотника, положение которого изме няется в зависимости от давления в цилиндре динамометра гидравлического усилителя и исполнительного органа, изменяющего положение ножа. Общее усилие сопротивления движению Рсумх может быть выражено формулой Рсум х = ki°b Н~ Ра’ где Ра — составляющая сил сопротивления движению машины.. величина которой не зависит от сопротивления копанию. При расчетном режиме величина тягового усилия Рдо = Рсо-4 При нарушении равновесия возникает нестационарный режим, уравнение движения которого имеет вид т ~ Рд Рсум>    (ЮЛ) где т — приведенная масса тягача. Если тяговое усилие по сцеплению заведомо больше развиваемой тяги по мощности, а это всегда должно иметь место, особенно сейчас, в связи с тенденцией увеличивать скорости рабочего перемещения машин, то Ра = /г—.    (10.2) I    V Разложим Рд и Рсум в ряд по степеням приращения соответствующих переменных и пренебрежем приращениями переменных в степени выше первой; тогда получим + (т^),4“+ (-тР),Ас- Подставив эти величины в уравнение (10.1), получим, учитывая, что Рд0 = Рсо, и принимая (—=0: dv / дРа \ . , [дРг №) Av+(dI^) Ac. т-dt
\ dv /0    V дс /0 Вблизи расчетного режима можно принять, что (дРсцм\ _ Р сум j дР г \ Р с0 Pg0 dv J0    v0    \ дс о
Тогда дифференциальное уравнение нестационарного режима будет иметь вид dv , г, Ду г, Дс т~^+Ря>-= Рбо — - dt    va    с0 После преобразования это уравнение может быть приведено к виду где Тм — так называемая постоянная времени машины; “7" Ди    “ Дс    " V Ди =--; А с = - И v = — . ий    сй ■    t'0 Так как v = v0 + Av, то
dv _d (Av) Постоянная времени машины характеризует интенсивность протекания процесса изменения скорости перемещения после мгновенного изменения глубины резания в случае, когда автоматический регулятор отсутствует. Рис. 130. Кривая переходного процесса
Кривая переходного процесса в координатах (/, Av) показана на рис. 130. Величина Тм равна отрезку, отсекаемому на оси t касательной и нормалью к какой-либо точке кривой. Она будет тем больше, чем значительнее приведенная масса машины, расчетная скорость ее перемещения и чем меньше расчетное тяговое усилие. Если в формуле для Тм выразить Ро через N и v0, то где k — коэффициент пропорциональности в формуле (10.2) для тяговой силы по мощности двигателя. При к. п. д. трансмиссии г] = 0,85, v в м/сек N в кет и Рдо в £=—. Из этой формулы следует, что постоянная времени пропорциональна приведенной массе машины и квадрату скорости ее перемещения. Рассмотрим уравнения, характеризующие работу элементов автоматического регулятора. Изменение давления Ард в рабочей полости гидравлического динамометра пропорционально разности между тяговым усилием и силой сопротивления. Соответственно этому ^Рд^д — Рсу М = Ь-Р д АР сум, где /а — площадь рабочей поверхности динамометра. Выразив АРд и АРс соответственно через приращения скорости и глубины резания, получим согласно предыдущему &pdFd =--Ду--Ас = — Pi0(±v -j- Д с) = VQ    CQ = — Ро^(^+^); здесь ро — рабочее давление при установившемся режиме, соответствующее усилию Рд0. После преобразований, обозначив —- = АРд получим ДРд ~ — (Ди + Дс). Если динамометр и золотник имеют линейную характеристику и можно пренебречь их инерционностью, то относительное смещение золотника , il = Az = IРд. Уравнение движения сервопоршня гидравлического усилителя, двигающего нож, в случае простейшего астатического регулятора может быть написано в виде Т = Аг!    (10.5) где Тс — постоянная времени сервопоршня, зависящая от скорости его срабатывания; Ат— относительное смещение сервопоршня. Так как сервопоршень связан с ножом, то относительное смещение поршня вызывает такое же относительное изменение глубины резания, т. е. Ат=Ас. Совместное решение уравнений (10.3) и (10.5) приводит к общему дифференциальному уравнению движения всей системы «машина — регулятор». Это уравнение, написанное относительно параметра Дс, имеет вид ТМТС ^+(ТМ+ Тс) -!- 2Д~= 0.    (10.6) Нетрудно убедиться, что переходный процесс при регулировании, описываемый дифференциальным уравнением (10.6), является устойчивым, т. е. с течением времени отклонение параметра Ас стремится к нулю (действительная часть корней уравнения является всегда величиной отрицательной). При автоматическом регулировании машины изменением глубины резания желательно, чтобы переходный процесс был не колебательный, а периодически затухающий (рис. 130). Для этого необходимо, чтобы корни уравнения были отрицательные и действительные. Нетрудно убедиться, что это условие удовлетворяется, если 6.
Неравенство (10.7) может быть удовлетворено двумя путями: уменьшением величины Тс до значений, меньших, чем отношение —Тм, или же увеличением Тс до значений, больших, чем 6 Тм. Второй способ является нерациональным, так как с возрастанием Тс возможно уменьшение скорости срабатывания сервопоршня, что приведет к увеличению длительности переходного процесса. Первый метод не всегда возможно осуществить практически, так как при малых значениях Тм т. е. при небольшой инерционности самой машины, необходимо иметь быстродействующий сервопоршень. Поэтому для автоматического регулирования заглубления ножа целесообразно применять более сложные схемы регулятора, типа изодромного (рис. 131), который позволяет получать удовлетворительный переходный процесс при практически приемлемом быстродействии сервопоршня. Изодром представляет собой цилиндр, заполненный маслом, в котором размещается поршень. В поршне имеется жиклер, соединяющий обе полости цилиндра. Цилиндр соединен со штоком сервопоршня, а поршень — с, рычагом обратной связи. При быстром перемещении сервопоршня масло в цилиндре не успевает перетекать через жиклер и цилиндр с поршнем перемещаются как одно целое. При медленном перемещении сервопоршня поршень изодрома отстает от цилиндра и даже может оставаться неподвижным. Изодромный регулятор состоит из тех же элементов, что и ■ астатический; дополнительно установлена лишь изодромная обратная связь между сервомотором и золотником. Установлено, что для машин, динамические характеристики которых сходны с землеройными машинами, изодромный регулятор может обеспечить необходимое качество переходного процесса. При изодромном регуляторе нет остаточной неравномерности и значение регулируемого параметра поддерживается на заданном уровне. Изодромный регулятор работает так. При отклонении золотника от нейтрального положения вследствие какого-либо внешнего воздействия (например, изменение прочности грунта или ОБЩИЕ ВОПРОСЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ 26£ -—---- ^атупление режущего инструмента) поршень сервомотора начинает перемещаться. При перемещении сервомотора вместе с ним смещается цилиндр изодромного устройства. При большой скорости их перемещения масло не успевает перетекать через жиклер изодрома и поршень изодрома смещается вслед за цилиндром. у Поршень изодрома связан при помощи рычага с корпусом золотника. Всякое смещение поршня сервомотора благодаря об- Рис. 131. Схема работы гидравлического усилителя с изодромом: / — золотниковый распределитель, 2 — гильза, 3 — золотник, 4 и 5 — окна, 6 — гидроцилиндр (сервомотор), 7 — корпус изо-дрома, 8 — поршень, 9 — жиклер, 10 — рычаг обратной связи ратной связи приводит к такому смещению корпуса золотника, при котором его окна стремятся закрыться. При малой скорости поршня сервомотора масло в изодром-ном устройстве успевает перетекать через жиклер изодрома и смещения поршня изодрома почти не происходит. Таким образом, обратная связь работает в зависимости от скорости перемещения поршня сервомотора. В начале переход; ного процесса, когда степень открытия окон золотника и соответственно скорость сервопоршня наибольшие, цилиндр и поршень изодрома перемещаются почти как одно целое и изодромная обратная связь работает как жесткая. По мере закрытия окон золотника скорость сервопоршня уменьшается и относительное смещение цилиндра и поршня изодрома становится все больше. В конце переходного процесса поршень изодрома под влиянием пружины устанавливается в нейтральное положение. Вместе с ним нейтральное положение занймает и корпус золотника. Положение цилиндра изодрома определяется положением сервопоршня. Таким образом, при малых скоростях движения сервопоршня регулятор работает почти как астатический. Благодаря такому сочетанию свойств изодромного регулятора при определенном выборе его характеристики обеспечивается высокое качество переходного процесса при отсутствии остаточной неравномерности. Помимо регулирования основных параметров землеройно-транспортных машин в настоящее время ведутся широкие работы по автоматизации технологических процессов, выполняемых машинами. § 2. АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ УСТАНОВКОЙ РАБОЧЕГО ОРГАНА Автоматическое регулирование угла наклона ножа грейдера Рассмотрим схему регулирования, изображенную на рис. 132. В схеме применены два сельсина. Положение ротора одного из-сельсинов связано с положением поршня гидроцилиндра установки глубины резания. Положение ротора второго сельсина определяется углом наклона ножа, регулируемого маятниковым устройством. Разница в импульсах между сигналами, вырабатываемыми в обоих сельсинах, определяет сигнал ошибки, который усиливается и подается на злектрогидравлический сервоклапан. Этот сервоклапан открывает доступ масла в верхнюю или нижнюю полости гидроцилиндра, управляющего углом наклона ножа. По мере перемещения поршня этого цилиндра меняется угол наклона ножа, пока сигнал ошибки не станет равным нулю или, точнее, будет меньше какой-то величины, определяемой нечувствительностью регулятора. Чувствительный элемент этого регулятора представляет собой маятник, ось шарнира которого соединена с ротором сельсина. Статор сельсина соединен с корпусом маятника, прикрепленным к концу грейдера. При изменении угла наклона ножа по сравнению с расчетным маятник начинает поворачиваться, стремясь занять вертикальное положение. Это движение маятника описывается уравнением M~dF = G*r^ma' где JM — момент инерции маятника; ос— угол поворота маятника; Gм — вес маятника; гм —расстояние центра тяжести от оси шарнира маятника. Выходной сигнал сельсина и соответственно сигнал ошибки пропорциональны углу наклона ножа. Если не учитывать инерционности усилителя сигнала и электрогидравлического серво-клапана, то положение клапана будет определяться знаком сигнала ошибки. Соответственно положению клапана будет осуще-г
<<< Предыдущая страница  1     Следующая страница >>>


1 A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z 
А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я