Введение

Выполнение больших и возрастающих с каждым годом масштабов строительства обеспечивается применением высокопроизводительных строительных и дорожных машин, комплексной механизации и автоматизации строительного производства. В настоящее время создан большой парк разнообразных строительных и дорожных машин, который систематически пополняется новыми более совершенными машинами.
Для выполнения земляных работ созданы универсальные и специализированные строительные машины – экскаваторы, скреперы, бульдозеры, грейдеры, автогрейдеры с облегченным управлением и удобными кабинами. В данной работе подробнее рассмотрим бульдозеры.
Бульдозер – землеройная машина, состоящая из базового тягача и бульдозерного (навесного) оборудования, предназначенная для резания и перемещения грунта и планировки разрабатываемой поверхности.
Бульдозеры применяют при сооружении насыпей, засыпке траншей и канав, разработке взорванных скальных грунтов, перемещении и штабелировании сыпучих материалов, подаче каменных материалов к питателям дробильных установок, очистке территорий от шлака, мусора и снега, планировке откосов и др.
Бульдозеры как навесное оборудование на тракторы, тягачи и другие базовые машины широко распространены, что объясняется простотой их конструкций, высокой производительностью, возможностью их использования в самых разнообразных грунтовых и климатических условиях и относительно низкой стоимостью выполненных работ.
Целью данной курсовой работы является модернизация отвала бульдозера для работы в стесненных условиях на базе трактора Т-170.

1. Патентный анализ

1.1 Бульдозер с перекидным отвалом

Формула изобретения
Бульдозер с перекидным отвалом, включающий базовую машину, толкающие брусья, отвал с верхним и нижним ножами и гидропривод поворота толкающих брусьев, выполненный в виде двух пар гидроцилиндров, корпуса которых шарнирно соединены с базовой машиной, отличающийся тем, что на толкающих брусьях установлены фиксаторы и направляющие, в которых установлены ползуны, к цапфам которых шарнирно присоединены штоки гидроцилиндров.

Недостатками данного технического решения являются: сложной конструкции поворота толкающих брусьев, вероятность поломки фиксаторов толкающих брусьев, не надежная работа цапф ползунов.

1.2 Рабочее оборудование бульдозера

Формула изобретения
Рабочее оборудование бульдозера, включающее режущий нож с коробкой жесткости, гибкий элемент, выполненный в виде упругой металлической пластины, жестко прикрепленной нижним концом к режущему ножу, коробчатый отвал, в котором установлена упругая подушка, на которую опирается металлическая пластина и толкающие брусья, отличающееся тем, что коробчатый отвал жестко связан с коробкой жесткости, составной отвал шарнирно соединен с толкающими брусьями, при этом к верхней части отвала присоединены корпуса устройств управления положением составного вала, выполненных в виде электромагнитного исполняющего устройства, состоящего из прямоходового электромагнита с втяжным якорем и смонтированного на торцевой поверхности корпуса электромагнита нормально замкнутого колодочного электромагнитного тормоза, а выдвижные элементы устройств управления положением соединены с толкающими брусьями посредством проушин.

Недостатками данного технического решения являются: отсутствие механизма автоматического изменения кривизны гибкого элемента по высоте отвала, а также невозможность изменения угла резания при разработке грунта на установленной глубине, наличие усложняющих элементов таких как прямоходовой электромагнит с втяжным якорем.

1.3 Бульдозер с выдвижным отвалом

Бульдозер с выдвижным отвалом, включающий базовую машину, раму с гидроцилиндрами подъема-опускания, состоящую из жесткой основной секции, шарнирно соединенной с базовой машиной, и дополнительной секции, телескопически подвижной относительно основной и гидроцилиндров перемещения, отвал, соединенный с дополнительной секцией шарнирами и наклонными упорами с верхним и нижним шарнирами, отличающийся тем, что основная секция рамы выполнена шарнирно-сочлененной из двух неподвижных толкающих брусьев, поперечной связи и двух горизонтальных раскосов, дополнительная секция выполнена в виде двух подвижных толкающих брусьев прямолинейной формы, телескопически вставленных в неподвижные толкающие брусья основной секции, а гидроцилиндры перемещения секций расположены внутри неподвижных толкающих брусьев, при этом наклонные упоры выполнены в виде гидроцилиндров и установлены в одной вертикальной плоскости с шарнирами отвала, причем нижний шарнир наклонного упора закреплен на неподвижном толкающем брусе, а верхний – на выдвижном отвале.

Недостатками данного технического решения являются: малая накопительная способность отвала такого бульдозера при транспортировании грунта, наличие шарнирно-рычажных многозвенников, расположенных симметрично относительно продольной оси машины, которые сложны в устройстве, ненадежны в работе и быстро выходят из строя при больших силовых скачкообразных нагрузках и абразивной среде, характерных для работы бульдозера.

1.4 Рабочий орган бульдозера

Формула изобретения
Рабочий орган бульдозера, включающий отвал с лобовым листом, толкающие брусья, гидроцилиндр, очистной элемент, установленный торцевыми сторонами в боковых криволинейных направляющих, и ролики, установленные на осях, расположенных по торцам очистного элемента, отличающийся тем, что он имеет боковые балки, ползуны и дополнительно снабжен гидроцилиндром, аналогичным указанному, при этом боковые балки, оба гидроцилиндра и ползуны расположены за отвалом по бокам, к боковым балкам шарнирно закреплены штоки указанных гидроцилиндров, гидроцилиндры шарнирно закреплены к толкающим брусьям, в которых установлены ползуны в своих направляющих, ползуны шарнирно закреплены к боковым балкам, которые шарнирно закреплены через оси к очистному элементу.

Недостатками данного технического решения являются: наличие шарнирно-рычажных многозвенников, расположенных симметрично относительно продольной оси машины, которые сложны в устройстве, не надежная работа в процессе эксплуатации ползунов установленных в толкающих брусьях.

1.5 Рабочий орган бульдозера

Формула изобретения
Бульдозер, содержащий базовый трактор и бульдозерное оборудование, включающее отвал, толкающие брусья, шарнирно соединенные одним концом с отвалом, а другим – с рамой трактора и снабженные кронштейнами, нижние концы которых закреплены на толкающих брусьях в средней их части, а верхние концы с помощью гидрораскосов соединены с верхней кромкой отвала, гидроцилиндры подъема-опускания отвала, цилиндры которых соединены с рамой трактора, а штоки соединены с отвалом, отличающийся тем, что оси шарниров, соединяющих отвал с толкающими брусьями и со штоками гидроцилиндров подъема-опускания отвала, расположены на одной прямой, при этом гидрораскосы соединены с верхней кромкой отвала с возможностью выведения последнего в горизонтальное положение и обращения вниз рабочей поверхности лобового листа для очистки от налипшего грунта.

Достоинства данного технического решения являются: простота и надежность конструкции крепления отвала к толкающим брусьям бульдозера, минимальное количество шарнирных соединений, возможность выведения в горизонтальное положение отвал бульдозера для очистки рабочей поверхности лобового листа от налипшего грунта.

2. Выбор базовой машины

Основные требования к выбору базовой машины
1. Тип (малогабаритные. легкие. средние….др.)
2. Мощность
3. Тяговое усилие
4. Ремонтопригодность
5. Приспособленность к разных условиям работы (природные условия)
6. Распространенность при земляных работах
Бульдозеры классифицируются по назначению, весу и мощности, силе тяги базовой машины и типу движителя; отдельным конструктивным признакам; системе управления рабочим органам и др.
По назначению бульдозеры делятся на бульдозеры общего назначения, приспособленные для выполнения разнообразных землеройно-транспортных и строительных работ в различных грунтовых условиях, и на бульдозеры специального назначения, которые предназначаются для выполнения определенных видов работ (например, для прокладки дорог, чистки снега, сгребания торфа и т.д.).
По мощности двигателя базовых машин современные бульдозеры можно условно разделить на следующие группы (таблица).

Классификация бульдозеров по мощности двигателя и по номинальному тяговому усилию
Типы	N в кВт (л.с.)	Тн в Т	

Малогабаритные
Легкие
Средние
Тяжелые
Сверхтяжелые	
До 15 (20)
15,5 – 60 (21 – 80)
60 – 108 (81 – 147)
110 – 220 (150 – 300)
Больше 220 (больше 300)	
До 2,5
2,6 –7,5
8,0 –14,5
15,0 –30,0
Больше 30	

Для работы в стесненных условиях анализируя таблицу 2.1 выбираем средний тип бульдозера с мощностью N (60–108) кВт или 81–147 (л.с.) и Тн (8–14,5).Данными техническими характеристиками обладает бульдозер марки Т-170.

Техническая характеристика бульдозера
Наименование показателей	Показатели	
	Т – 170	
Базовый трактор, Тип	гусеничный	
Модель	Т – 170	
Мощность двигателя	140 (180) кВт (л.с.)	
Наибольшее тяговое усилие в кгс	15000	
Эксплуатационная масса в кг	17300 кг	
Тип рамы	внутренняя	
Расположение	прямолинейное	
Крепление	жесткое	
Управление	гидравлическое	
Габаритные размеры с базовым трактором, мм, длина	4825	
ширина	3230	
высота	3145	

Проанализировав технические характеристики бульдозера Т-170 из таблицы 2.2 можно с уверенностью сказать, что выбранный прототип отвечает всем заданным требованиям. Так как является самой выпускаемой машиной для земляных работ, обладает высокой ремонтопригодностью, отличная маневренность, легкость в управлении машиной, высокие эргономические показатели, способен работать даже в самых суровых природных условиях.

3. Общий расчет

Расчет базовой машины(прототипа)
1. Предварительный выбор габаритов и масс
Габаритные размеры:
ширина -3230 мм
высота-1145 мм
масса-17300 кг
2. Тяговый расчет
2.1 Определение транспортных и технологических сопротивлений
При транспортировании грунта отвалом бульдозера по горизонтальной площадке возникают сопротивления:
2.2 Wр – сопротивление резанию
2.3 Wпр – сопротивление перемещению призмы грунта перед отвалом
2.4 Wв – сопротивление перемещению грунта вверх по отвалу
2.5 Wт – сопротивление перемещению бульдозера
2.6 Wтр – сопротивление трению ножа бульдозера о грунт
2.2 Сопротивление резанию

Wр=k٠B٠h1=150٠3.23٠0.018=9.88 кН

где k-удельное сопротивление лобовому резанию в кН/м2, k=170;
L-ширина отвала в м;
h1–глубина резания во время перемещения призмы грунта (величина заглубления)
Величина заглубления

h1=kп٠ Vпр/L=0,025٠2,35/3,23=0,018 м

где kп - коэффициент определяющий потери грунта в боковые валики на 1 м пути, он зависит от свойств грунта принимаем равным 0,025 для связных грунтов.
Vпр – объем призмы волочения
Объем призмы волочения

Vпр= L٠H2/2٠kпр =3230٠11452/2٠0,90=2,35 м3

где L-ширина отвала принимаем равной 3230 мм
H-высота отвала с учетом козырька принимаем равной 1145 мм
кпр – коэффициент зависящий от характера грунта принимаем равный 0,90
2.3 Сопротивление перемещению призмы грунта перед отвалом

Wпр=Gпр٠µ2=41496,3٠0,5=20,74 кН

где µ2–коэффициент трения грунта по грунту µ2=0,5;
Gпр–вес призмы волочения (Н)
Вес призмы волочения

Gпр=Vпр ٠γг ٠g=2,35٠1800٠9,81=41496,3 Н

где γг–объемный вес грунта в плотном теле кг/м3, примем γг=1800;
g-ускорение свободного падения, g=9,81 м/с2.
2.4 Сопротивление перемещению грунта вверх по отвалу

Wв=Gпр٠cos2σ٠µ1=41496,3٠0,3289٠0,50=6,82 кН

где σ–угол резания, принимаем равным σ=550;
µ1–коэффициент трения грунта по металлу, µ1=0,50 средний суглинок
2.5 Сопротивление перемещению бульдозера

Wт=G*f=203٠0,15=30,45 кН

где f – коэффициент сопротивления перемещению движителей трактора, для гусеничной машины f=0,15
G-сила тяжести бульдозера
Сила тяжести бульдозера

G=(1,17…1,28)*Gбм*g=1,20٠17300٠9,81=203 кН

где Gбм–вес базовой машины равен 17300 кг
Для бульдозеров с неповоротным отвалом суммарное сопротивление движению равно

W=Wp+Wпр+Wв+Wт =9,88+20,74+6,82+30,45=67,89 кН

2.6 Определяем предварительную силу тяги
Зная, что сопротивление грунта копанию преодолевается силой тяги базового тягача, можно написать неравенство
W≤Т
где Т – номинальная сила тяги бульдозера в кН
2.7 Номинальная сила тяги бульдозера

Т=G*φ=203٠0,9=182,7 кН

где φ–коэффициент сцепления грунта с гусеницами, φ=0,9
G-сила тяжести бульдозера равна 203 кН
2.8 Выбор рабочей скорости перемещения бульдозера
Примем рабочую скорость из технической характеристики бульдозера
Vрабочая=1,7 км/ч
2.9 Мощность на реализацию тягового усилия

Nт=T٠Vрабочая=182,7٠1,7=310,59 кВт
Nдв= W٠ Vрабочая /η =67,89٠1,7/0,9=128,2 кВт

где ή – механический к.п.д. машины, η=0,9 (взято из справочника конструктора дорожных машин И.П. Бородачева) отсюда следует, что Nдв расчетная составляет 88% от мощности базовой машины (140 кВт), следовательно Т-170 в качестве базовой машины подходит.
3.0 Проверка правильности выбора веса машины
Gбаз.маш.=6,5
данное условие выполняется вес базовой машины соотвествует данному требованию.
4. Расчет эксплуатационной производительности
4.1 Производительность бульдозера м3/час, при резании и перемещении грунта.

П=3600٠Vф٠кв٠кукл / Тц=3600٠2,08٠0,85٠1,74 /83=124,4 м3/час

технические данные взяты из учебника дорожные машины, машины для земляных работ, автор Алексеева Т.В
где кв–коэффициент использования бульдозера по времени, принимаем кв=0,85;
кукл–коэффициент, учитывающий влияние уклона местности на производительность бульдозера, при угле уклона (5…10) принимаем кукл=1,74;
Тц – длительность цикла в сек;
Vф–объем грунта (в плотном теле) перед отвалом (м3)

Vф=L٠H2/2٠кпр٠кр,=3,23٠1,1452/2٠0,90٠1,13=2,08 м3

где кпр–коэффициент зависящий от характера грунта, принимаем равным 0,90
кр–коэффициент разрыхления грунта, принимаем кр=1,13
Длительность цикла

Тц=lp/ν1 + ln/ν2 + (lp+ln)/ν3 +2٠tn +to +tc=15/0,4+8,0/1+(15+8)/2,0+2٠10+1,5+4,5=83 с

технические данные взяты из учебника дорожные машины, машины для земляных работ, автор Алексеева Т.В.
где ln–длина пути перемещения грунта в м, принимаем ln=15 м;
lр–длина пути резания в м, принимаем lp=8,0 м;
ν1–скорость движения бульдозера при копании грунта в м/сек,
принимаем ν1=0,4;
ν2–скорость движения бульдозера при перемещении грунта в м/сек,
принимаем ν2=1;
ν3–скорость обратного холостого движения трактора в м/сек, принимаем ν3=2,0;
to–время на опускание отвала в сек, принимаем to=1,5;
tс–время на переключение передач в сек, принимаем tс=4,5;
tn–время, необходимое для разворота в сек, принимаем tn=10.
4.2 Расчет производительность бульдозера при планировочных работах м2/час.

технические данные взяты из учебника дорожные машины, машины для земляных работ, автор Алексеева Т.В.
где n-число проходов по одному месту, принимаем n=2
ν–рабочая скорость движения трактора в м/сек, принимаем ν=0,8
l-длина планируемого участка в м, принимаем l=20 м
0,5 – величина перекрытия проходов в м
φ–угол захвата отвала. принимаем равным 450
5. Статический расчет
Расчетная схема для определения нагрузок действующих на бульдозерное оборудование приведена на рисунке.

Расчетная схема для определения нагрузок действующих на бульдозерное оборудование

На нож отвала бульдозера в плоскости действуют две силы, Р1 горизонтальная и Р2 вертикальная.
Горизонтальна сила

Р1=G٠φmax/(1-φmax٠ctg (σ+φ1))=203٠0,9/(1–0,9٠0,05241)=35,134кН

Вертикальная сила

Р2= Р1٠ ctg (σ+φ1)=35134,61٠0,05241=18,41 кН

где G-сила тяжести бульдозера
φmax–максимальный коэффициент сцепления движителя с грунтом, принимаем φmax=0,9
σ–угол резания, σ=550
φ1–угол трения грунта по металлу, φ1=32.
Сила подъема отвала кН, определяются по формуле

Sр=Sy*kд=124,1٠1,35=167,5 кН

где Sy–усилие на штоках гидроцилиндров, в кН; (сила необходимая для опрокидывания трактора)
kд–коэффициент динамичности, принимаем kд=1,35.
Необходимая сила для опрокидывания трактора

Sy=(Р2*l+ Р1*m+Go*lo)/r = (18,41٠3,64+35,134,٠0,55+29,43٠3,45)/2,1 = 124,1кН

где Go–сила тяжести рабочего оборудования, Go=29,43кН;
l-линейный размер, l=3,64 м (длина толкающего бруса и отвала)
lo – линейный размер, lo=3,45 м (длина толкающего бруса)
m – линейный размер, m=0,55 м (высота от начала гусеницы до середины толкающего бруса)
r – линейный размер примем равным r=2,1 м.
Sp≤Sy
167,5≤124,1 (условия опрокидывания не выполняется)
Следовательно, модернизированный мною бульдозер устойчив при работе.
4. Расчет модернизированного узла
Принимаем гидроцилиндр поршневой двустороннего действия по ОСТ 22–1417–79 [2] с параметрами:

диаметр поршня	D = 140 мм	
диаметр штока	d = 63 мм	
максимальное расчетное усилие на штоке	215,4 кН	
номинальное давление	14 МПа	
ход поршня	L = 900 мм	

Расчет на растяжение штока гидроцилиндра

 ≤[δр]

δ≤[δр]
0,27 МПа≤140МПа
где N – растягивающая сила
F – площадь штока
Растягивающая сила равна

N=(mотвала + mналипшего грунта)٠g =(300+40)٠9,8=3332 Н

Площадь штока

Расчет на прочность кронштейна.
Проведем расчет опасного сечения II–II кронштейна на изгиб от наибольшей силы Рц.
– Изгибающий момент в сечении:

М = Рц ∙ l;

где Рц - максимальное расчетное усилие на штоке 215.4 кН
l-высота
М = 215400 ∙ 120 = 25848000 Н∙мм.
Для материала 09Г2С ГОСТ 380–71 (сталь углеродистая) допускаемое напряжение будет:

;

 = 17,14 МПа,
где	σт = 240 МПа – предел текучести.
– Момент сопротивления:
 = 1508051,34 мм3.
– Момент инерции:

;

 = 218667445 мм4.
– В соответствии с размерами на рисунке 3 момент инерции сечения II–II:

.

– Толщина листа стенки:

;

 = 24,6 мм.
Принимаем δ = 25 мм.
Проверка сечения I–I:
– на срез:

;

 = 11,3 МПа < [τ] = 90 МПа,
где	F – площадь сечения без учета наваренных шайб;
– на смятие:

;

 = 30,7 МПа < [σ] = 120 МПа,
где	[σ] и [τ] – допускаемые напряжения.
Проверка сварного соединения
Для сварки материала марки 09Г2С ГОСТ 380–71 применяем электроды типа ЭЧ2 ГОСТ 9467–75.
Сварку конструкции производим угловыми швами У4- 25 по ГОСТ 5264–69.
Все соединения с угловыми швами при работе на осевую продольную силу проверяют на срез:
Разложим силу F = 196,3 кН (max усилие, развиваемое гидроцилиндром) на вертикальную и горизонтальную составляющие:

Fвер = F ∙ sinα;	Fвер = 199∙ sin60° = 172 кН;
Fгор = F ∙ cosα;	Fгор = 199 ∙ cos60° = 99 кН.

– Перенесем силы Fвер и Fгор в центр стыка сварных швов и добавим момент:

М = Fгор ∙ ;

М = 99 ∙ 103 ∙ 120 = 11880000 Н∙мм.
Определяем напряжения в сварных швах от силы Fверт:

;

 = 20,4 МПа,
где	К = δ = 25 мм – катет шва;
Lш – длина сварного шва.
Определяем напряжения в сварных швах от силы Fгор:

;

 = 11,7 МПа.
Определяем напряжения в сварных швах от момента М:

,

где	W – момент сопротивления.

;

 = 336000 мм2.
 = 35 МПа.
Расчетным случаем является т. А и для нее напряжение среза равно:

,

где	[τ] – допускаемое напряжение на срез для сварного шва;
[σ] = 100 МПа [4];
[τ] = 0,6 ∙ 100 = 60 МПа;
 = 60 МПа.
Расчет пальца на срез и изгиб
1. Определяем изгибающий момент в пальце принимая его рабочую длину l=15 см

Mп = N٠l /4=215,4٠15/4=807,75 кН٠см

где N – поперечное изгибающее усилие
l-рабочая длина пальца
2. Находим минимальный момент сопротивления сечения пальца, изготовленного из стали марки Ст5

Wп = Mп/(m٠0,1R) = 807,75 (0,9٠0,1٠ 230) = 30 см3.

где Мп – изгибающий момент
m – коэффициент условий работы принимаем равным m= 0.90
R – расчётное сопротивление круглой прокатной стали для осей и шарниров, МПа принимаем равным R=230МПа
3. Найдем диаметр пальца

4. Проверяем палец на срез

31.5 МПа≤126МПа
Вывод: Палец диаметром 6.6 сантиметра устойчив на срез и на изгиб.
Размещено на Allbest.ru