Шилибек К.К., Сыргабаев
М.Н., Абильдаев А.Т.
Таразский
государственный университет имен М.Х. Дулати, Казахстан
ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ
ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА БУЛЬДОЗЕРОВ
Значительные объемы земляных работ,
выполняемые в строительстве, мелиорации на открытых горных разработках, требуют
не только количественного роста парка землеройных машин, но и повышения их
технического уровня на базе новых научно – технических решений.
Совершенствование рабочих процессов
является одним из определяющих направлений повышения эффективности землеройных
машин и, в частности, бульдозеров.
Повышение эффективности рабочего
процесса бульдозеров может быть достигнуто либо путем дальнейшего усовершенствования
рабочего процесса в границах традиционной технологической схемы, либо
разработкой принципиально новых методов воздействия на среду. Необходимо
отметить, что новые методы разрушения грунтов не получили еще практического
применения и не могут пока заменить традиционные методы резания и копания,
совершенствование которых остается актуальной задачей.
В границах традиционной технологической
схемы разработки грунтов бульдозерами возможны два варианта реализации энергии
базового тягача:
·
передача энергии к
рабочему органу через движитель;
·
передача энергии
непосредственно к рабочему органу, минуя движитель.
Создание первых рабочих органов активного действия показывает, что их
развитие в настоящее время встречает определенные трудности, связанные с недостаточным
техническим совершенством применяющихся систем приводов. Обращает внимание тот
факт, что все серийные (за исключением скреперов с элеваторной загрузкой)
землеройное – транспортные машины реализуют тяговое усилие через движитель
базового тягача.
Применительно
к бульдозерному оборудованию, реализующему тяговое усилие по первому варианту,
повышение эффективности рабочего процесса может быть достигнуто увеличением
рабочих скоростей и типоразмеров машин, а также совершенствованием рабочего
оборудования и режимов работы.
Тенденция
роста рабочих скоростей обусловлена прежде всего возможностью существенного
повышения производительности. Однако рост скоростей ограничивается рядом
конструктивных и технологических факторов. Среди них, в первую очередь, необходимо
отметить технические возможности существующих систем автоматического
регулирования рабочих процессов, а также рост динамических нагрузок,
действующих на узлы и элементы бульдозерного оборудования. Кроме того,
установлено, что существует граница рабочей скорости, при достижении которой
производительность бульдозера практически прекращает повышаться.
Направления,
связанное с укрупнением бульдозерных агрегатов, является важным резервом
повышения производительности. В настоящее время парк землеройное – транспортных
машин перегружен моделями малой
и средней мощности, что не позволяет применять наиболее прогрессивные технологические
приемы.
С
ростом типоразмеры машины снижаются удельные эксплуатационные и капитальные
вложения, повышается эффективности рабочего процесса. Однако, не следует
забывать, что для более крупного типоразмера машин требуются соответствующие
объемы работ. Известно также, что увеличение типоразмеров землеройное –
транспортных машин на определенном этапе имеет пределы целесообразности .
Значительное
внимание, уделяемое исследователями развертыванию работ по совершенствованию
рабочего оборудования бульдозеров в границах традиционной технологической
схемы, объясняется относительно малыми затратами по сравнению с направлениями,
отмеченными выше, требующими модернизации всей машины.
Анализ
научно – технической и патентной информации в области интенсификации
традиционных методов копания грунта с передачей энергии тягача к рабочему
органу через движитель позволяет отметить, что совершенствование обычных
лобовых бульдозерных отвалов происходило в направлениях, обеспечивающих
повышение объема грунта в призме
волочения, механизацию операций по перестановкам отвала и снижение энергоемкости рабочего процесса. Эти
направления предусматривают
специализацию бульдозерного рабочего оборудования, совершенствование профиля
отвальной поверхности и формы отвала в плане, применение устройств, снижающих
потери грунта при копании и перемещении, а также придание рабочему в процессе
работы в зависимости от грунтовых условий.
Специализация
машин и оборудования, соответствие используемой техники специфике объекта
строительства и условиям эксплуатации является важным фактором интенсификации
строительного производства, проявление которого характеризует одну из
особенностей развития землеройное – транспортных машин на современном этапе.
Специализация нашла свое отражение в тенденциях развития рабочих органов
бульдозеров, следствием чего явилось дальнейшее номенклатуры бульдозерного
оборудования (отвалы с рыхлительными гидроуправляемыми зубьями, сферические и
полусферические отвалы, для угля, для работы от стенки и т.д.). Расширение
номенклатуры сменного бульдозерного оборудования для базы данного типоразмера
позволяет обеспечивать повышение производительности на отдельных грунтах,
материалах и видах работ, что способствует расширению области применения
бульдозеров.
Важная
роль отводится исследователями вопросам улучшения технологии рабочего процесса.
У бульдозеров это может быть достигнуто снижением энергоемкости процесса
копания путем улучшения профиля отвальной поверхности и формы отвала в плане.
Однако реализовать единую оптимальному форму отвала затруднительно, поскольку
она должна изменяться в соответствии с характером грунтовых условий и видом
земляных работ. При этом форма отвала должна удовлетворять не только операции
копания, но и операции перемещения грунта, так как она в значительной степени
определяет эффективности работы бульдозера. В связи с этим , задача
совершенствования профиля и формы отвала требует комплексного изучения всего
рабочего процесса бульдозера в целом.
Эффективность
рабочего процесса бульдозеров может быть существенно повышено при оснащении
отвалов устройствами, снижающими потери грунта при копании и транспортировании.
На практике для этой цели применяют дополнительное оборудование, основные виды
которых – уширители и
открылки, получили широкое распространение. Применение более совершенных
гидроуправляемых уширителей позволяет легко
устанавливать их в различные положения в зависимости от условий эксплуатации.
Автоматическое
управление машин для земляных работ является одним из перспективных направлений
использования этих машин.
Производственные
процессы, выполняемые машинами, сложны и разнообразны. Сопротивления рабочих
органов при копании изменяются в широких пределах. Все возрастающие требования
к качеству земляных работ и улучшению условий труда оператора неизбежно
приводят к необходимости введения автоматического управления машин.
При
ручном управлении машины оператор, наблюдая за ходом рабочего процесса, вручную
переключают рычаги управления, стремясь обеспечить наивыгоднейшие режимы работы, заданные траектории рабочих
органов, требуемую последовательность операций. Одновременно он должен учитывать большое количество разнородных
и быстро меняющихся факторов (неровности поверхности, по которой перемещаются
машины, механические и физические свойство грунта и др.). Все это делает режим
работы оператора чрезвычайно напряженным. На некоторых машинах число
переключений рычагов управления достигают до тысячи в час.
Зачастую
оператор может оценить изменение внешних условий и результаты работы только
глазомером или ориентировочно. Поэтому выбираемые им режимы работы далеки от оптимальных, а качество
работ часто не удовлетворяет техническим условиям.
Так,
например, погрешности поперечного уклоняя земляного полотно автомобильных дорог
при планировании его автогрейдером с ручным достигают величины 3 – 50 при
допуске 0,50.
Специфические
условия работы машин для земляных работ, разнообразие грунтов, видов и условий
выполняемых работ и подвижность в настоящее время еще не позволяют выдвигать
вопрос о создании таких систем управления, которые полностью исключали бы
участие оператора в управлении этими машинами. Создание полностью
автоматической системы управления при современной технологии производства
земляных работ было бы связано с решением больших технологических трудностей и
вряд ли было бы экономически оправдано.
Частичная же автоматизация
производственного процесса машин для земляных работ и прежде всего
автоматическое регулирование процесса копания и планировочных работ являются
вполне назревшими и выполнимыми.
Такую машину следует рассматривать как
динамическую систему, на которую при движении непрерывно действует
сопротивление среды, глубина резания, отклонение буксования, изменение угловой
скорости вращения вала двигателя и т.д.
Многообразие вариантов существующих и
перспективно намечаемых конструкцией машин для земляных работ по принципиальной
схеме автоматического регулирования процесса копания можно свести к двум
основным группам: машины, выполняющие процесс копания при передвижении
(землеройное – транспортные машины, многоковшовое экскаваторы, рыхлители), и
машины, осуществляющие процесс копания при выключенном ходовом механизме
(буровые установки, одноковшовые экскаваторы). Автоматическое регулирование
процесса копания у машин первой группы может быть осуществлено в основном двумя
направлениями: для машин с автоматическими трансмиссиями регулированиям
скорости передвижения. Системы регулирования процесса копания одноковшовых
экскаваторов зависят от вида рабочего оборудования и от задачи регулирования.
В отдельных конструкциях машин процесс
копания может регулироваться изменением ширины резания (бульдозер с
изменяющимся по ширине отвалом), а в машинах с активным рабочим органом
(например, фрезой) – изменением его частоты вращения. На рис. 83 приведены
возможные варианты системы автоматического регулирования процессом копания
машин для земляных работ цикличного действия.
Режим копания машин для земляных работ (
скорость резания, толщина и ширина стружки) полностью определяет
производительность и экономичность работы. В то же время оптимальный режим
зависит от большого количества факторов и должен отвечать обоснованно
поставленным требованием к работе машины (качество планирования, максимальная
производительность и т.п.).
Наилучшие условия для получения
оптимального режима может обеспечить автоматическая система. Выбор вида системы
зависит от требований, предъявляемых к технологическому процессу машины, от
сигнальных и регулируемых параметров.
Наиболее приемлемым способом регулирования
процесса копания машин без автоматических трансмиссий можно считать
регулирование изменением глубины резания с задачей использования или полной
тяговой мощности агрегата, или эффективной мощности двигателя. В первом случае
распорядительным сигналом для изменения глубины резания может служить величина
буксования движителя, во втором – частота вращения выходного вала двигателя.
Правильное сочетание автоматической трансмиссии, обеспечивающей бесступенчатое
регулирование скорости передвижения, и автоматического подъема рабочего органа
может обеспечить наилучшую автоматизацию агрегата.
Превышение энергетических или тягово –
спецных возможностей машины приводит к необходимости выглублять рабочий орган,
чтобы получить необходимую частоту вращения выходного вала двигателя, а также
нормальное тяговое усилие движителя.
Установлено, что оператор пользуется включением
механизма подъема рабочего органа скрепера или бульдозера 10 – 15 раз за период
копания, что составляет 800 – 1200 включений в час.
Операции подъема рабочего органа у
большинства современных машин выполняются гидравлическими механизмами подъема.
Используя терминологию теории
автоматического регулирования, схема автоматического управления машин для
земляных работ в этом случае может быть представлена следующим образом. Объект
регулирования – машина (бульдозер, скрепер и др.). Задача автоматического
регулирования – использование максимальной тяговой мощности агрегата или
эффективной мощности двигателя путем поддерживания максимального тягового
сопротивления на рабочем органе при оптимальной скорости передвижения.
Регулируемая величина – глубина резания. Устройство, обеспечивающее изменение
глубины резания – механизм подъема. Система регулирования процесса копания
характеризуется следующими параметрами:
1.
возмущающим воздействием
– сопротивлением на рабочем органе (основное воздействие), скоростью передвижения
и помехами (второстепенное воздействие);
2.
регулируемыми величинами
– глубиной резания, буксованием движителей и частотой вращения двигателя;
3.
показателями качества
системы регулирования – быстродействием, устойчивостью, точностью
воспроизведения входных сигналов и др.
Система регулирования может быть выражена
дифференциальными уравнениями, описывающими поведение системы в переходном
состоянии, или функциональной схемой, отражающей функциональную связь
выходного сигнала (координаты) с
выходным по времени.
В технической литературе имеются сведения
о попытках создания систем автоматического регулирования процесса копания
машинами для земляных работ.
Таким образом, можно заключить, что в
настоящее время одним из перспективных направлений интенсификации рабочего
процесса бульдозеров остается совершенствование конструкций рабочего оборудования с использованием интенсифицирующих методов
воздействия на грунт (резание и копание) посредством передачи энергии к отвалу
через движитель.
1.
Машины для земляных работ. Под.общ.ред.
Д.П.Волкова. М., 1992, 448 с.
2.
Строительство в Республики Казахстан в 2002г.
/ Статистический сборник. Алма-Ата, 2003, с. 96.
3.
Дегтярев А.П., Рейш А.К.
и Руденский С.И. Комплексная механизация земляных работ. М.,1987, 335 с.
4.
Донской В.М. Механизация
земляных работ малых объемов. Л.,1976, 160с.
5.
Справочник
по механизации мелиоративных работ (в зоне орошаемого земледелия). М., 1974,
375 с.
6.
Баладинский
В.Л. и Лысенко Б.Н. Машины и механизмы для сельского строительства. Киев, 1978,
152 с.
7.
Полтавцев И.С., Орлов
В.Б., Ляхович И.Ф. Специальные землеройные машины для городского
строительства. Киев, 1977, 136 с.
8.
Руководство
по производству земляных работ одноковшовыми экскаваторами /ЦНИИОМТП. М., 1976, 64 с.
9.
Вильман Ю.А. Механизация работ в сельском строительстве. М., 1982, 208с.