ТЯГОВЫЙ РАСЧЕТ И УСТОЙЧИВОСТЬ АВТОГРЕЙДЕРОВ

Тяговый расчет автогрейдера на рабочем режиме можно вести двумя методами:

а) по заданным параметрам ножа и характеристике технологи­
ческого процесса, выполняемого машиной, определяется тяговое уси­
лие, а затем параметры двигателя и масса машины;

б) по заданным параметрам двигателя и массе машины определя­
ется свободная сила тяги, т.е. выявляются возможные технологичес­
кие режимы работы автогрейдера с отвалами и другими видами смен­
ного рабочего оборудования.

При проведении тягового расчета автогрейдера на рабочем режиме принимаются следующие условия и допущения:

Осуществляется резание и перемещение грунта.

Резание происходит при оптимальных углах установки ножа при работе на горизонтальном участке.

- 82 -

Величина свободной силы тяги на ведущих колесах принимается с учетом перераспределения массы по осям и при оптимальном значении коэффициента сцепления.

Грунты однородные, например третьей категории.

Режимы резания постоянные.

Состояние режущей кромки ножа соответствует техническим требованиям.

Налипание грунта на рабочую поверхность отвала отсутствует.

Возможность преодоления возникающих сопротивлений определяется максимальным значением окружной силы на ведущих колесах Р_{к тах}, величина которой ограничивается условием сцепления шин с грунтом:

Рк max = Ф • С_сц ) I W , (3.22)

где ф - коэффициент сцепления

G_cu - сцепная сила тяжести автогрейдера при действии на нож вертикальной, направленной вверх силы Р₂, Н;

I W - сумма всех сопротивлений при работе автогрейдера.

При рабочем режиме автогрейдера сумма всех сопротивлений движению составит

I W = W_f + W_h + W-, + W_k . (3.23)

Сопротивление качению колес W_f, сопротивление движению на уклон W_h и сопротивление сил инерции W_d могут быть получены общими методами.

Сопротивление копанию отвалом W_k рассматривается состоящим из отдельных слагаемых, характеризующих сопротивление отдельных относительных движений грунта

- 83 -

W_k = W_p + W_np + W_B + W_n , (3.24)

где W_p - сопротивление грунта резанию;

W_np - сопротивление перемещению призмы волочения;

W_B - сопротивление грунта продвижению вверх по отвалу;

W_n ' - сопротивление грунта продвижению вдоль по отвалу.

Сопротивление грунта копанию при работе автогрейдера следует рассматривать для двух характерных случаев выполнения работы :

а) зарезание при установке отвала на угол v * 0 в верти­
кальной плоскости;

б) планировочные работы при v= 0.

Для случая зарезанияпринимаем сопротивление резанию равным

h • 1

W_D = k ----------- , Н. (3.25)

^Р 2

Для планировочных работс элементами резания сопротивление резанию будет

W_p = k- L- h, Н (3.26)

Сопротивление призмы волочению, как и при отвале бульдозера,

^wn_P = G_np- f_rr • ^sln "Ф (З-²⁷)

где G_np - сила тяжести призмы волочения, определяемая при усло­вии полного заполнения отвала грунтом, Н; f_rr - коэффициент трения грунта по грунту; ■ф - угол захвата, т. е. угол установки отвала в горизон­тальной плоскости.

- 84 -

Сопротивление грунта продвижению вверх по отвалу

^Wb = ^Gnp'^fMr'^cos2 ^рез'³¹¹¹ "Ф • ^Н (3.28)

Сопротивление грунта при движении вдоль отвала

^wn = Grip-f_Mr-f_rr-cos ip • H (3.29)

где f_Mr - коэффициент трения грунта по отвалу;

^рез ~ У^гол резания.

Необходимая сила тяги на ведущих колесахавтогрейдера по условиям сцепления при рабочем режиме определяется зависимостью

Р_к > I W (3.30)

в предположении, что окружная сила на колесах по условиям сцепле­ния подсчитана с учетом перераспределения нагрузки на колеса в связи с упором ножа в грунт, т.е.

Р_к' = Ф ■ С_Сц . Н (3.31)

Обеспечение указанного значения силы Р_к должно проверяться по зависимостям

М_д-1_тр - N 1_тр

V < Р_к = ------------ П = 9550 --------- • —- т\ , Н (3.32)

г п г

в соответствии с заданной скоростью передвижения

п • г
v - 0,377 —--------- , км/ч (3.33)

^-т р

- 85 -

В приведенных формулах :

Рк - окружная сила на ведущих колесах, Н;

1_тр - передаточное отношение трансмиссии; • г - радиус качения пневматических шин ведущих колес, м;

Т1 - механический к. п. д. силовой передачи;

п - число оборотов вала двигателя в минуту;

N - мощность двигателя, кВт.

Скорости движения автогрейдера.Для обеспечения различных силовых и скоростных режимов движения современные автогрейдеры снабжаются многоступенчатыми коробками передач.

Скорости движения автогрейдеров, км/ч:

Рабочие скорости:

на первой передаче..................................................... 3...4,2

на высших передачах................................................ 6. ..15

Транспортные скорости:................................................... 2 5. . .42

скорость на заднем ходу......................................... 6. ..13

В связи с использованием сменного навесного оборудования (смесители, роторные снегоочистители) на автогрейдерах стали при­менять рабочие скорости порядка 0,4...1,0 км/ч.

Применение гидротрансформатора допускает бесступенчатое изменение скорости в пределах каждой передачи и позволяет уменьшить число передач.

Скорость на первой передаче может быть выбрана из выражения

v« = 1000 —--------- n , (3.34)

где Р_к - сила тяги по сцеплению, Н; • i - коэффициент запаса, i < 1.

- 86 -

Значение максимальной расчетной транспортной скорости автогрейдера v_max следует определять исходя из условий реализации максимальной мощности двигателя при движении автогрейдера на установившемся режиме по горизонтальной поверхности при заданном значении коэффициента сопротивления качению i = О,025...О,035.

Для автогрейдеров со всеми ведущими колесами, у которых удельная мощность двигателя выше, значение. v_max может оказаться завышенным. В этом случае максимальную транспортную скорость нужно ограничивать величиной 40...45 км/ч, так как движение с большей скоростью может вызвать большие динамические нагрузки на машину вследствие толчков и ударов, поскольку эластичной подвески у автогрейдеров нет.

Анализ кинематических параметров трансмиссии показывает, что у большинства современных автогрейдеров, имеющих восемь скоростей, передаточные числа подобраны по закону геометрической прогрессии. У автогрейдеров с меньшим количеством скоростей обычно увеличены диапазоны между высшими передачами при сохранении прежней структуры ряда рабочих передач.

Как известно, ряд передаточных чисел, выбранный по закону геометрической прогрессии, обеспечивают одинаковую степень 'загрузки двигателя при переходе с одной передачи на другую и относительно большее число передач в зоне низших скоростей. Эта особенность ряда передач наилучшим образом отвечает требованиям, предъявляемым к тяговым машинам и поэтому получила широкое распространение.

Располагая данными v_max (y_i) и v_mln и назначив число передач п₀, нетрудно вычислить знаменатель геометрической прогрессии q по уравнению

- 87 -

---------

Vmax

После этого можно определить промежуточные теоретические скорости

^V2 ~ - ^V3 ~ о » ^V4 ~ я ' ' • ^- ' max ~ _n _ ₁

или ряд общих передаточных чисел.

Тяговый расчет автогрейдера можно проводить и по методике предложенной Д.П.Волковым.

В тяговом . режиме автогрейдер преодолевает сопротивления, подобные рассмотренным при работе бульдозера с поворотным отвалом. В связи с этим тяговый расчет автогрейдера ведется по зависимостям, приведенным в разделе 1.3. Нужный при этом один из главных параметров автогрейдера - его масса - может быть найден по заданным параметрам объекта строительства.

Автогрейдер массой G с тяговым усилием (кН)

Р_Ф = G_CII'g-(p = G_onT4-<p-g (3.35)

может срезать стружку грунта площадью (м²)

F_c = Рф/lq, (3.36)

где G_Cy- сцепная масса;

Ф - коэффициент сцепления;

i - коэффициент, учитывающий колесную формулу ходовой части машины и обычно принимаемый X = 0, 7... О, 75 при формуле 1x2x3 и i = 1 при формулах 3x3x3, 1x3, 2x2x2;

kj - коэффициент удельного сопротивления грунта копанию, кПа.

- 88 -

Эта стружка может быть выражена через площадь F_p сечения

разрабатываемого автогрейдером кювета, канавы или корыта, зависи­
мостью

F_c = Р_рК_с/п_д, (3.37)

где К_с - коэффициент, учитывающий неравномерность сечения струж­ки, К_с = 1,25... 1,35; Яд - число проходов машины при разработке грунта в кювете,

п_д = 3.. .4. Отсюда оптимальная масса автогрейдера при заданном сечении кювета или канавы

Fp • К_с • к₁
G_onT = -------------- . (3.38)

g-ПдЧ-ф

Поперечная устойчивость автогрейдера.Получение наибольшей силы тяги по сцеплению нельзя рассматривать без учета обеспечения поперечной устойчивости всего автогрейдера, которая в основном зависит от правильного распределения нагрузки по мостам.

Колеса переднего и заднего мостов при работе автогрейдера с косопоставленным отвалом нагружаются не только продольными но и поперечными силами S_i: s₂.

При проектировании автогредера необходимо обеспечить соответствующую устойчивость хода как заднему, так и переднему мостам.При продольном смещении центра тяжести машины к заднему мосту может быть обеспечена большая поперечная устойчивость задних колес,но при этом недостаточно нагруженные передние колеса могут потерять необходимую устойчивость и автогрейдер начнет разворачиваться.

; - 89 - I

Значит, для каких-то определенных условий работы автогрейдера, которые характеризуются направлением и точкой приложения равнодействующей реакции грунта к отвалу N, существует наивыгоднейшее распределение нагрузки по мостам, обеспечивающее наибольшую силу тяги по сцеплению и наилучшую поперечную устойчи­вость машин.

Нахождение наибольшей горизонтальной составляющей реакции грунта на ноже можно произвести по методу,предложенному инженером Горячко Б.В. Для этого необходимо рассмотреть равновесие сил в горизонтальной плоскости с учетом действия сцепных сил по мостам Oj ; Q₂ (рис. 3.14).

Риз. 3.14. Схема сил, действующих на автогрейдер в горизонтальной плоскости:

а) для автогрейдера'1x2x3;

б) для автогрейдера 1x3x3.

- 90 -

Для равновесия системы горизонтальная составляющая Р_гор должна быть равна по величине и обратна по направлению равнодействующей сцепных сил мостов автогрейдера 0.

При полном использовании сцепления колес от силы тяжести машины и вертикальной составляющей реакции грунта Р₂ горизонтальная составляющая будет равна

Prop = (G ⁺ Р₂)"Ф > (З-³⁹)

где ф - коэффициент сцепления.

Однако эта зависимость не учитывает использования сцепных качеств заднего и переднего мостов и поперечной устойчивости хода. Использование сцепных качеств мостов может быть отражено коэффициентом использования сцепных сил машины

Q

к =-------

Qi + Q₂ '

который при косопоставленном ноже будет всегда меньше единицы, так как геометрическая сумма сил 0^ и Q₂ меньше их алгебраической суммы.

Поперечная устойчивость автогрейдера характеризуется коэффициентом устойчивости хода к_х:

Pi

k_x --—,

_ ^rlmax

где Pi - предельная.составляющая реакции грунта на нож, при ко­торой еще не теряется устойчивость хода при данной раз­веске (данном С₂); ^pimax" продольная составляющая реакции грунта на нож , при которой еще не теряется устойчивость хода при наивыгод­нейшей развеске (наивыгоднейшем С₂).

- 91 -

Коэффициент к_х зависит от распределения нагрузки по мостам. На графиках (рис. 3.7) показана такая зависимость на^: примере тре­хосного автогрейдера; из рассмотрения графика видно, что наиболь­шая устойчивость хода, а значит, и наибольшая сила тяги по сцеп­лению для машины с передним ведомым мостом будет получена при ко­эффициенте распределения нагрузки на задний мост С₂ = 0,68 (68 % силы тяжести машины приходится на задний мост и 32 % - на перед­ний) . Для машины со всеми ведущими мостами наибольшее значение к_х обеспечивается при С₂ = 0,52. Коэффициент к_с с передним ведомым мостом колеблется в пределах к_с= 0,6...О,9; для машин со всеми ведущими мостами к_с = 0,8...1,0 - в зависимости от вида работы и углов захвата ножа.

Таким образом, действительное значение горизонтальной сос­тавляющей реакции грунта на ноже, обеспечивающей поперечную ус­тойчивость машины, будет выражено

Prop = (G + Р₂)-ф-к_с-к_х (3.40)

Величина Р_гор при одинаковых значениях ср зависит от правиль­ности распределения нагрузок по осям, необходимого для обеспече­ния поперечной устойчивости машине. Оптимальные значения коэффи­циентов к_х и к_с зависят от угла установки отвала в горизонтальной плоскости и от точки приложения реакции грунта к ножу.

Проверку поперечной устойчивости машины проводят для случая, когда совершается копание одним из концов повернутого на угол ср₀ отвала (рис. 3.15). На машину в этом случае будут действовать продольная и поперечная силы. Первая в наихудшем случае может достигать тягового усилия F_a. Вторая при этом составит

- 92 -

F₆ = F_a ■ tg ф₀ .

(3.41)

Эти силы стремятся повернуть машину относи­тельно одного из задних колес. От поворота маши­на будет удерживаться силами трения передних колес, появляющимися при их боковом скольжении по опорной поверхности.

Для обеспечения по­перечной устойчивости автогрейдера необходимо, чтобы момент М_с перечной устойчивости автогрейде­ра сил сопротивления по­вороту был больше момен­та М_п поворачивающих сил или чтобы их отношение было больше единицы, т.е. при Р_а - Р_б:

Рис. 3.15. Схема к расчету поперечной устойчивости автогрейдера.

M_c Pa (1а + 1_Б)
К = —^- =--------------------------------------------- > 1,1. (3.41)

М_п F_a (1_а + 1_б tg ф₀)

- 93 -3.4. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ И ПРИМЕНЕНИЯ АВТОГРЕЙДЕРОВ

Отвал автогрейдера является основным рабочим органом. Конс­труктивно он похож на бульдозерный отвал. Основу его составляет гнутый в вертикальной плоскости лист. С тыльной стороны к листу отвала в продольном направлении приварены полые ребра 6 (рис. 3.1) жесткости с направляющими для ползунов кронштейнов.

Высоту отвала можно определять согласно зависимости

/2К_Р -cosp- tgqr

Н₀ = /------------------------- , (3.42)

K-cos(ct + р)

где F_p - площадь поперечного сечения срезаемого отвалом валика грунта;

р - угол трения грунта по металлу;

Ф - угол естественного откоса грунта;

К - коэффициент, учитывающий форму призмы волочения в зави­симости от угла резания, обычно К = 2;

а - угол захвата.

На выпускаемых промышленностью легких и средних автогрейде­рах высота отвала равна 500...600 мм, а на тяжелых 700...800 мм.

Профиль отвала выполняют криволинейным, близким к дуге ок­ружности радиусом

R = Н/(2 sin б),

где б - угол резания.

- 94 4-

Длину отвала принимают из условия, что его габаритный размер по ширине при установке с углом захвата в 45° был примерно на 100 мм с каждой стороны больше габаритного размера ходовой части ма­шины. На автогрейдерах легкого и среднего типов серийного произ­водства длина отвала составляет 3740...3800 мм, а тяжелого 4800 мм. При использовании автогрейдеров на отделочных и"планиро­вочных работах к отвалу можно крепить удлинитель и откосник. Их к отвалу крепят болтами. Для надежности концевые их части подвеши­вают на цепях к хребтовой балке.

Рис. 3.16. Схема установки откосника на отвале автогрейдера.

Конструктивно удлинитель аналогичен отвалу. Откосник (рис. 3.16) состоит из двух частей - промежуточной 2 и концевой 3. Для обработки кювета или канавы треугольного сечения промежу­точную часть крепят так, чтобы*ее нож являлся продолжением ножа отвала 1 (рис. 3.16, а). При трапецеидальном сечении кювета нож промежуточной части откосника устанавливают под углом к ножу от-

- 95 -

вала. Отвал же с откосником для работы устанавливают так, чтобы нож промежуточной части оказался параллельным дну кювета (рис. 3.16, б).

Установка отвала в нужное для работы положение осуществляет­ся с помощью механизмов подвески тяговой рамы и поворота отвала. Первый состоит из трех гидроцилиндров. С помощью двух цилиндров 3 (рис. 3.17, а) тяговую раму подвешивают к хребтовой балке 1 ос­новной рамы. Третий цилиндр 8 устанавливают между этими узлами наклонно (рис. 3.17, б). Он предназначен для перемещения тяговой рамы в сторону от продольной оси машины. Крепление всех трех гид­роцилиндров на хребтовой балке на современных автогрейдерах осу­ществляется через рычаги 2. У последних имеется шарнирная связь

Рис. 3.17. Механизм подвески тяговой рамы и схема выноса

отвала в сторону от оси машины.

- 96 -

одним концом с цилиндром, а другим через ось 5 с кронштейном 6, приваренным к хребтовой балке. Положение каждого рычага относи­тельно его кронштейна может фиксироваться с помощью кулачков 4 на оси.

Такая подвеска тяговой рамы через рычаги позволяет устанав­ливать отвал 7 для обработки откосов с углом 0...90⁰.

Механизм поворота может повернуть отвал.на 360°. Он состоит обычно из гидродвигателя и червячного одноступенчатого редуктора, имеющего на выходном валу зубчатое или цевочное колесо. Последнее и передает вращение поворотному кругу с отвалом.

Ходовое оборудование автогрейдеров выполняется колесным с пневматическими шинами. Обычно оно имеет три оси - одну переднюю и две задние. При этом на автогрейдерах легкого и среднего типов две пары задних колес являются ведущими, а пара передних колес -ведомыми и управляемыми. У автогрейдеров тяжелого типа все колеса ведущие. Причем ведущий мост задних колес в первом случае имеет балансирную подвеску у каждой боковой пары колес, а у тяжелых ав­тогрейдеров задние колеса, будучи объединены одной подвеской, приводятся в движение от двух отдельных мостов.

Рабочий процесс автогрейдера состоит из копания грунта, его перемещения и укладки с разравниванием в земляное сооружение.

При копании грунт может разрабатываться как всей шириной от­вала, так и одним из его концов. В первом случае режущая кромка отвала устанавливается параллельно поверхности грунта, а во вто­ром - наклонно. При этом отвал может находиться непосредственно под рамой автогрейдера или сбоку от нее. Глубина копания в первом случае может доходить до 250 мм, а во втором - до половины высоты отвала.

- 97 -

При наклонной установке отвала режущая кромка его обычно ус­танавливается под углом 10...15° к поверхности грунта. Площадь срезаемой стружки грунта в этом случае несколько меньше, чем при ненаклонном отвале. Это обуславливает снижение сопротивления при копании и позволяет увеличить скорость передвижения машины и ее производительность. На практике с такой установкой выполняется большая часть земляных работ.

Существенное влияние на сопротивление копанию оказывает вы­бор угла наклона отвала к вертикальной плоскости. Его обычно при­нимают таким, чтобы угол резания ножа отвала в слабых и тяжелых грунтах был соответственно равен 45 и 35°.

Срезанный отвалом грунт в дальнейшем может перемещаться пе­ред отвалом или отводиться в сторону от направления движения ма­шины. Это зависит от положения режущий кромки отвала относительно продольной оси машины, определяемого углом между ними, называемым обычно углом захвата. При малом значении этого угла, близком к 45°, грунт интенсивно скользит по отвалу и отводится в сторону от продольной оси машины. При угле захвата, близком или равном 90°, грунт остается перед отвалом и перемещается им в направлении дви­жения машины. На практике угол захвата назначается в зависимости от вида работ, выполняемых машиной. При зарезании отвала в грунт одним из его концов этот угол принимается равным 35...50°.

При выполнении автогрейдером отделочных и планировочных ра­бот угол захвата устанавливают в пределах 45...90°, причем на первой стадии выполнения этих работ, когда подлежащий планировке слой грунта имеет большую толщину, этот угол имеет меньшее значе­ние. По мере улучшения разравнивания и повышения уплотнения грун­та угол захвата постепенно увеличивают, принимая на конечной ста-

- 98 -

дии планировки равным 90°. Поскольку в этот момент сопротивление машине не велико, на отвал обычно устанавливают уширитель. Это увеличивает ширину полосы обрабатываемого грунта и производитель­ность машины.

При копании с отводом грунта в боковом направлении наиболее рациональным считается угол захвата, равный 60°. На отвод грунта в этом случае машина расходует несколько большую энергию, чем при угле захвата в 45°. Однако при этом она обрабатывает более широ­кую полосу сооружения и отводит грунт дальше в сторону.

В процессе выполнения земляных работ на строительных объек­тах автогрейдеры совершают круговые и челночные движения. Послед­нее зависит от длины и ширины участков, на которые разбивается объект строительства.

При применении автогрейдеров на строительстве дорог длина участков, называемых здесь захваткой, зависит от рельефа местнос­ти, наличия мостов, труб, сроков и объемов работ и др. и состав­ляет 0,15...1,5 км. При захватках длиной 0,4... 1, 5 км автогрейде­ры перемещаются по круговым траекториям. Двигаясь при каждой про­ходке в пределах всей длины захватки, они выполняют только одну определенную операцию при одной установке отвала.

При коротких захватках длиной 0,15...О,4 км работы ведутся челночными движениями автогрейдера, причем, если длина захватки близка к 0,15 км, автогрейдер совершает обратное движение вхолос­тую на повышенной скорости. При захватках длиной более 0,15 км автогрейдер разрабатывает грунт при прямом и обратном движениях, поворачивая отвал на 180° в конце участка перед обратным ходом. На рис. 3.18 приведена схема работы нескольких автогрейдеров при возведении насыпи из двух боковых резервов. Наиболее трудоемкая

- 99 -

часть работ - разработка грунта в резервах, здесь выполнятся ав­тогрейдером 10 тяжелого типа. Пройдя вокруг насыпи в пределах длины и ширины захваток, он разрабатывает грунт и отсыпает его в валики 1-9. Разработка грунта начинается от внутренней или внеш­ней бровки и ведется послойно.

Рис. 3.18. Схема возведения насыпи из боковых резервов.

Вслед за автогрейдером 10 идут фронтом, располагаясь ступен­чато, обычно два или три менее тяжелых автогрейдера в зависимости от ширины насыпи. Они забирают грунт из валиков и перемещают его к оси насыпи. Для увеличения обрабатываемой полосы сооружения от-

- 100 -

валы этих машин оборудуют уширителями. На конечной стадии разра­ботки грунта в резерве, канавах или кюветах на отвал автогрейдера 10 крепят угловой или трапецеидальный откосник.

Укладка валиков грунта в насыпь осуществляется послойно от края ее (бровки) к оси. Первый валик перемещается к краю насыпи и частично разравнивается; второй - перемещают через первый, третий - через второй и т.д. После отсыпки грунта в насыпь осуществляет­ся его разравнивание и уплотнение. Толщина отсыпанного слоя обыч­но достигает 20...30 см. Отсыпку следующего слоя осуществляют от оси насыпи к бровке.

При возведении насыпи для дороги с покрытием в средней части ее обычно сооружается выемка, называемая корытом. В корыто под покрытие укладывается песок, гравий, щебень. Сооружение корыта может вестись разными способами. Обычно при насыпи высотой до 0,35 м отрытый из резерва грунт отсыпается по краям полотна -обочинам дороги и разравнивается до проектных отметок с нужным уклоном. Затем автогрейдером по круговой схеме работы планируется корыто. Появляющиеся излишки грунта в его боковых частях переме­щаются к оси дороги.

Если высота насыпи превышает 0,35 м, корыто, сооружается в процессе ее возведения. Первоначально строится насыпь, как было описано ранее. Высоту ее при этом принимают на 15...20 см ниже нижней отметки корыта. После уплотнения насыпи на ее поверхность из резерва укладывают валики с разреженным интервалом в средней части дороги и плотно и большей высоты по бокам. Отсыпка грунта ведется начиная от середины дороги. На конечной стадии поверх­ность насыпи планируется, также начиная с отделки корыта до про­ектных отметок.