Бульдозеры: разновидности приводов и их влияние на эксплуатационные характеристики

Х.-П. Цинке, канд. техн. наук (Dr.-Ing.), Германия

При выборе и сравнении разных типов бульдозеров очень важно изучить все их технические возможности. Поэтому на этапе подбора бульдозера для выполнения определенных работ необходимо тщательно проанализировать все факторы и их нюансы, чтобы можно было выполнить реалистичный расчет производительности машины.

Бульдозеры – это землеройные машины, оснащенные бульдозерным отвалом в качестве основного рабочего оборудования, которое может быть дополнено рыхлителем, как правило одностоечным, установленным на задней части машины. Бульдозерный отвал может быть закреплен неподвижно на толкающих брусьях либо подвижно, что позволяет изменять его положение в одной, двух или трех плоскостях. Бульдозеры в подавляющем большинстве на гусеничном ходу, но также выпускают пневмоколесные бульдозеры и родственные им компакторы на стальных кулачковых вальцах. Конструктивно колесные бульдозеры ближе к каткам.

Бульдозеры классифицируются по следующим признакам:

По назначению. Бульдозеры общего назначения для выполнения землеройных, транспортных и вспомогательных работ. Бульдозеры специального назначения при работе на специфических грунтах и в специальных технологиях. По тяговым показателям. Сверхлёгкие бульдозеры—малогабаритные—сила тяги до 25кН, при мощности трактора 25-50л.с. Лёгкие бульдозеры—сила тяги 25-135кН, при мощности трактора 50-130 л.с. с рабочей массой 10-11 тонн. Средние бульдозеры—мощность трактора составляет 140—209 л.с. Тяжёлые бульдозеры—мощность трактора составляет 300-550л.с. масса 45 тонн. Сверхтяжёлые бульдозеры—мощность трактора 510 кВт и более.

Оборудование бульдозеров

Основное рабочее оборудование бульдозеров – установленный спереди большой стальной отвал. Отвалы бульдозеров доступны в следующих основных исполнениях:

• прямой отвал;
• U-образный отвал для перемещения большого количества грунта;
• S-образный отвал, в основном для точного выравнивания;
• V-образный отвал для резания выемок.

Кроме отвала бульдозер может быть также оснащен различным дополнительным оборудованием, например рыхлителями (однозубыми, многозубыми), устанавливаемыми сзади. С помощью рыхлителей разрыхляется грунт, взламываются дорожные покрытия или мерзлые и скальные грунты в карьерах и каменоломнях.

Существует также такое дополнительное оборудование, как лебедки, плуги и системы нивелирования, с помощью которых выравнивание и планировка могут выполняться автоматически за счет электронного управления отвалом. Интеллектуальные системы нивелирования могут получать данные от GPS, обычно такие системы используются в крупных проектах реконструкции или строительства.

Классифифкация

Классификация бульдозеров основана на их конструктивных особенностях, условиях работы. По этим признакам они могут отличаться:

• климатическим исполнением, адаптированным для условий низких (до -50°С), тропических (до +45°С, с большим количеством осадков) температур;
• движителем: гусеничным — эффективным для работ при бездорожье; колесным, позволяющим передвигаться по дорогам без нанесения им ущерба;
• формой отвала, который бывает: прямым — имеет одинаковую форму по ширине; полусферическим — с загнутыми на ширину ножа вперед боковыми сторонами; сферическим — боковые стороны загнуты вперед на треть ширины отвала;
• типом отвала, который бывает: неповоротным — расположен перпендикулярно оси агрегата и перемещается вверх/вниз; поворотным — имеет возможность установки под углом к направлению движения трактора; универсальным, состоящим из 2 половин, которые устанавливаются в любом положении;
• назначением отвала: угольный; землеройный; для уборки мусора, отходов; скальный; для толкания скреперов.

По управлению отвалом

Эта характеристика связана с возможностью подъема/опускания, поворота, перекоса, наклона отвала. Зависит от механизма управления, который бывает:

• механическим: состоит из лебедки и системы канатных блоков (имеет также название канатно-блочного), сегодня практически не используется;
• электромеханическим — отличается от первого типа присутствием электромоторов, приводящих во вращение лебедки;
• гидравлическим, работающим от гидронасоса, имеющим исполнительные органы — гидроцилиндры.

По тяговому классу

По классу бульдозера можно определить его производительность. Класс зависит от мощности силового агрегата трактора, общего веса машины. Лучший показатель у изделий с большим значением обоих параметров. Классифицируют по нему механизмы, замеряя усилие, которое развивает машина на заднем крюке, передвигаясь по стерне. Тяговые классы бульдозеров приведены в таблице.

Внеклассные бульдозеры

В их числе:

• мини-бульдозеры с мощностью тракторов ниже класса 0,1, имеющие низкий уровень эффективности даже при снегоуборке;
• дорожные машины и карьерный бульдозер, отличающиеся сверхмощными силовыми агрегатами, большими габаритами, используемые при возведении крупных сооружений, имеют высокую производительность.

Конструкции бульдозеров

Грунтовые условия задаются геологией, а такой фактор, как коэффициент сопротивления грунта перемещению, зависит от типа бульдозера. От величины сопротивления грунта перемещению зависит производительность при выполнении бульдозером работ. Прежде всего важна конструкция привода хода, поскольку работа бульдозера заключается в перемещении грунта путем его передвижения. В настоящее время используются бульдозеры с механическим, гидродинамическим, гидростатическим и дизель-электрическим приводом.

Механический привод

Механический привод появился первым, он использовался для оснащения первых машин.

Между двигателем и механической коробкой передач находится сцепление, которое отсоединяет двигатель от коробки передач при переключении с одной передачи на другую. Это означает, что во время переключения поток мощности прерывается. В случае переключения на более высокую передачу бульдозер катится без движущей силы или останавливается, и поток мощности может быть восстановлен только в том случае, если сопротивление движению в момент переключения ниже, чем до переключения.

Рис. 1 иллюстрирует зависимость основных факторов работы бульдозера с механическим приводом. Хорошо видно, что тяговое усилие у него имеет наименьшую величину при максимальной скорости.

Проблему разрыва потока мощности при переключении передач под нагрузкой можно решить путем использования многодисковых муфт сцепления. В процессе переключения передач всегда участвуют два диска сцепления, и поэтому поток мощности прерывается только на миллисекунды, т.е. практически не разрывается, и сила тяги бульдозера не уменьшается. Многодисковые муфты сцепления работают за счет подачи давления от гидросистемы на гидропривод перемещения дисков.

Гидродинамический привод

В гидродинамическом приводе между дизельным двигателем и коробкой передач находится гидротрансформатор (ГДТ), который выполняет роль сцепления.

Гидротрансформатор состоит из насоса и колеса турбины, а между ними расположен статор (реактор). Колесо насоса прочно соединено с маховиком дизельного двигателя и, следовательно, вращается с той же скоростью, что и двигатель. Вращение колеса насоса создает циркуляцию масла внутри корпуса трансформатора, масло попадает на статор и приводит в движение турбину.

Крутящий момент двигателя передается внутри ГДТ без кинематической связи, что предотвращает внезапные резкие увеличения нагрузки на трансмиссию. С другой стороны, между колесами трансформатора и рабочей жидкостью имеет место проскальзывание, негативное явление, которое приводит к потерям при передаче мощности и повышению температуры, т.е. к уменьшению эффективности работы.

Коэффициент полезного действия (КПД) гидродинамического привода ниже, чем у механического. Причиной этого является гидротрансформатор. КПД используемых в настоящее время гидротрансформаторов составляет примерно 0,94 (94%).

Зато благодаря ГДТ при копании бульдозера коробку передач можно переключать под нагрузкой без разрыва потока мощности, например, на более высокую передачу и продолжать работу на более высокой скорости, если это позволяют сопротивление и мощность двигателя.

ГДТ позволяет увеличить величину передаваемого крутящего момента. В ГДТ современных конструкций коэффициент увеличения крутящего момента может составлять 1:3, что означает, что выходной крутящий момент может быть в три раза выше входного крутящего момента. Это положительный эффект ГДТ, который позволяет преодолевать препятствия, не опасаясь остановки двигателя и хода бульдозера.

Для повышения эффективности ГДТ была изобретена блокирующая муфта, которая может механически соединить колеса насоса и турбины. Начиная с определенных оборотов двигателя и когда обороты насоса и колеса турбины совпадают, они жестко соединяются с помощью блокирующей муфты. Таким образом, создается прямое механическое соединение без гидравлических потерь и КПД трансформатора становится равным 100%. В случае возникновения препятствия при работе бульдозера, когда частота вращения двигателя падает, муфта отключается и трансформатор возвращается в гидродинамический режим.

Гидростатический привод

Принцип действия гидростатического привода заключается в том, что двигатель приводит в действие гидравлические насосы, которые нагнетают гидравлическую жидкость, которая передает мощность исполнительным гидравлическим машинам – гидромоторам хода и гидроцилиндрам рабочего оборудования. Гидравлические машины и управляющая и предохранительная аппаратура соединяются стальными или многослойными резиновыми рукавами высокого давления. Гидравлический привод упрощает схему передачи мощности и компоновки машины, так как устраняется необходимость в зубчатых передачах, карданных шарнирах, осях и т. д., и гидравлические узлы могут быть легко установлены в необходимых местах внутри бульдозера, под любыми углами относительно друг друга.

Насосы служат источником гидравлической энергии, гидромоторы преобразуют энергию в движение. Гидростатический привод позволяет бесступенчато и плавно изменять скорость движения бульдозера и так же просто включать задний ход. Гидростатический привод бульдозера позволяет поддерживать постоянную скорость движения с высокой точностью, несмотря на изменение нагрузки.

Недостатком является изменение вязкости гидравлического масла при изменении температуры. По этой причине КПД гидростатического привода существенно зависит от колебаний температуры.

На рис. 2 представлена принципиальная схема гидростатического привода. Из иллюстрации можно видеть, что схема гидростатического привода несложна.

Производительность гидростатического привода определяется давлением в гидросистеме и объемом жидкости. Гидравлическая мощность рассчитывается по следующей формуле:

Nн = Qн х Рн [кВт],

где Nн – гидравлическая мощность, кВт; Qн – номинальная подача гидравлического масла (для гидромоторов – номинальный расход масла), м3/с; Рн – номинальное гидравлическое давление на выходе из насоса, Н/м2.

Из этой формулы видно, что для получения такой же мощности при более высоком давлении требуется меньший расход гидромасла, чем при более низком давлении. Следовательно, при более высоком давлении компоненты гидросистемы могут иметь меньшие размеры. В конечном итоге критерием размеров гидравлических агрегатов становится их надежность и производительность.

Что собой представляет бульдозер

Бульдозер представляет собой специализированную технику, оснащенную специальным рабочим органом – отвалом. Он является своеобразной лопатой, которая наполняется землей по ходу поступательного движения машины. Большинство экскаваторов также имеют возможность снаряжаться таким отвалом. Практически все модели, как бульдозеры «LiuGong», монтируются на шасси тракторов.

Для того чтобы контролировать отвалом не требуется силовой привод. Привод только поднимает, опускает, поворачивает в стороны, наклоняет рабочий орган. Этим и обусловлены минимальные затраты спецтехники при перемещении единицы объема грунта, потому как движение тяжелой стрелы осуществляется не при помощи мощности двигателя.

Назначение и общее устройство

Основные области использования машины — строительство, дорожное хозяйство, добыча полезных ископаемых. Назначение бульдозеров:

• разрабатывать самостоятельно грунты 1-4 категорий, разрыхленные мерзлые, горные породы, перемещать их;
• снимать плодородный грунт на этапе подготовки стройплощадки;
• устраивать насыпи, выемки, каналы;
• выравнивать территории, пологие откосы;
• зачищать основания под фундаменты;
• засыпать траншеи, канавы, котлованы, углубления;
• подготавливать для добычи ископаемых рабочие зоны;
• очищать площади, дороги от снега, мусора, камней;
• рыхлить тяжелые, промерзшие грунты.

Общее устройство бульдозера предполагает наличие составляющих:

• трактора с гусеничным или колесным движителем;
• основного оборудования, которое располагается спереди трактора и крепится к его раме, называется отвалом, имеет рабочую поверхность цилиндрического типа, ножи, расположенные внизу, толкающую раму, управляющий поворотом и подъемом/опусканием механизм;
• вспомогательного оборудования, представленного зубьями, которые используются для рыхления плотных пород, крепятся сзади трактора на раму.

Принцип работы машины:

• отвал с помощью системы управления, которая находится внутри кабины трактора, опускается на поверхность грунта;
• трактор, передвигаясь, толкает отвал вперед;
• рабочий орган за счет веса и нижних ножей врезается в толщу грунта и, срезая слой, перемещает его на нужное расстояние.

Современные бульдозеры могут:

• весить — до 106 т;
• иметь силовой агрегат мощностью до 600 кВт;
• разрабатывать за 1 проход слой грунта толщиной до 80 см;
• иметь отвал высотой до 2,3 м (с козырьком), шириной до 6,1;
• поднимать отвал на высоту до 1,78 м.