Модернизация бульдозера на базе гусеничного трактора МТЗ 2103 "Беларус" с поворотным отвалом для расширения технологических возможностей

Дипломный проект на тему:
Модернизация бульдозера с поворотным отвалом для расширения технологических возможностей

Для расширения технологических возможностей бульдозера за базовую ма-шину принимаем трактор гусеничный «БЕЛАРУС» 2103 4 тягового класса.

Целью дипломного проекта является модернизация бульдозера с поворотным отвалом для расширения технологических возможностей.
Задачи проектирования:
- анализ научно-технической литературы и выбор рационального оборудова-ния для расширения технологических возможностей модернизируемой машины;
- изучение конструкции исследуемой техники, рабочего оборудования и про-тотипов;
- проведение конструкторских расчетов;
- технико-экономическое обоснование;
- разработка требований безопасности при эксплуатации модернизированной машины.

В разделе проекта проанализированы 8 научно-технических источников с раз-личными техническими результатами, наиболее интересными для расширения тех-нологических возможностей бульдозера в проекте приняты [2-3, 5]:

При анализе научно-технических источников с различными техническими результатами для разработки в проекте приняты:
а) оборудование, содержащее толкающие брусья, установленный на них отвал с основным ножом, шарнирно установленную на отвале траверсу с гидроцилиндром ее поворота, захватную челюсть с дополнительным ножом, шарнирно установлен-ную на траверсе, и гидроцилиндры поворота захватной челюсти, которое снабжено жестко закрепленной на захватной челюсти под дополнительным ножом захватной подошвой, выполненной в виде двух поперечных пластин, расположенных одна над другой и скреплённых жестко между собой одними из своих поперечных кромок под тупым углом;
б) отвал, включающий лобовой лист с ножами и нижней части, разделенной на секции, поочередно смещенные между собой в направлении рабочего движения бульдозера ножи, расположенные на задних секциях нижней части лобового листа, смонтированы с возможностью перемещения в вертикальной плоскости и подпру-жинены. Пружины ножей закреплены с возможностью регулирования их жесткости;
в) оборудование, включающее толкающие брусья, отвал, шарнирно соединен-ную с его верхней частью переднюю с его верхней частью переднюю челюсть в виде захватов и гидроцилиндры управления последней путем обеспечения надежности захвата штучных грузов с различными поперечными сечениями, захваты имеют установленные на их верхних частях отклоняющие блоки и пружины и снабжены гибкими прижимными звеньями, которые соединены с нижними частями захватов, пропущены через отклоняющие блоки и прикреплены к пружинам.
После этого был подобран прототип, на который разработано навесное рабочее оборудование бульдозера, проведены соответствующие конструкторские расчеты машины и рабочего оборудования, экономические показатели.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 5
1 АНАЛИЗ ПАТЕНТНОЙ И НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 6
1.1 Рыхлительное оборудование бульдозера 6
1.2 Бульдозерное оборудование 8
1.3 Отвал бульдозера 10
1.4 Корчевальное оборудование 12
1.5 Бульдозерное оборудование 12
1.6 Бульдозерное оборудование 14
1.7 Бульдозерное оборудование 16
1.8 Бульдозер 18
1.9 Выводы по разделу 19
2 ВЫБОР БАЗОВОГО ШАССИ И ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ 21
2.1 Общее устройство 21
2.2 Рама 23
2.3 Двигатель и его системы 24
2.4 Сцепление 25
2.5 Коробка передач 25
2.6 Механизм поворота 27
2.7 Задний мост 28
2.8 Ходовая система 28
2.9 Выводы по разделу 29
3 РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ МАШИНЫ И РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ 30
3.1 Параметры бульдозера 30
3.2 Параметры отвала 32
3.3 Тяговый расчет 32
3.4 Расчет системы управления отвалом 34
3.5 Определение удельных напорных усилий
и давления на режущей кромке отвала 38
3.6 Определение производительности 40
3.7 Расчет рабочего оборудования 41
4 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ МОДЕРНИЗАЦИИ 49
4.1 Стоимость изготовления машины 49
4.2 Стоимость машино-смены бульдозера 50
5 МЕРОПРИЯТИЯ ПО РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЮ 53
6 ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ РАБОТ БУЛЬДОЗЕРОМ 56
6.1 Требования охраны труда перед началом работы 56
6.2 Требования охраны труда во время работы 56
6.3 Требования охраны труда по окончании работы 58
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 60
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 61





3 РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ МАШИНЫ И РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ
3.1 Параметры бульдозера
К основным параметрам бульдозера относятся номинальное тяговое усилие, эксплуатационная сила тяжести, среднее статическое давление, положение центра давления, удельное напорное усилие, вертикальное давление на режущей кромке и др. Главным параметром гусеничного бульдозера является его номинальное тяговое усилие, т. е. усилие, развиваемое трактором с бульдозерным оборудованием на скорости до 3 км/ч при буксовании не более 7 %.
На практике номинальное тяговое усилие (кН) определяется по сцеплению
T_н=φ_сц G_сц,  
где φ_сц – коэффициент сцепления базового трактора, φ_сц = 0,9 [10];
G_сц – сцепная сила тяжести бульдозера, G_сц=112,8 кН.
Тогда
T_н=0,9∙112,8=1106,7 кН. 
Если двигатель базового трактора не может обеспечить максимального тягового усилия по сцеплению, Tн (кН) определяется по формуле
T_н=(3,6η_т N)/ϑ_р ,  
где η_т – КПД трансмиссии, η_т=0,83;
N – мощность двигателя трактора, N=156 кВт;
ϑ_р– рабочая скорость трактора, ϑ_р=3 км/ч.
Тогда
T_н=(3,6∙0,83∙156)/3=155,4 кН. 
Среднее статическое давление (кПа) бульдозера на грунт
q_ст=G_б/F_б ,  
где F_б – площадь опорной поверхности движителей.
Площадь опорной поверхности
F_оп=2L_г b_г,  
где L_г – длина опорной поверхности гусеницы, L_г=4,8 м;
b_г – ширина гусеницы, b_г=0,7 м.
Тогда
F_оп=2∙4,8∙0,7=6,7 м^2; 
q_ст=112,8/6,7=16,8 кПа. 
Положение центра давления гусеничного бульдозера (точки приложения равнодействующей силы всех нормальных реакций грунта на гусеничный движитель) определяется для следующих случаев (без уклона поверхности) (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 – Схемы к определению координат центра давления бульдозера:
а) бульдозер стоит на опорной поверхности с поднятым отвалом; б) бульдозер срезает грунт слоем максимальной толщины; в) бульдозер транспортирует грунт в траншее с максимальным объемом призмы волочения
Положение центра тяжести определяется по формуле
x_ц=(G_б a+P_н b-P_к h)/(G_б+P_н ),  
где a – расстояние от центра тяжести бульдозера до оси ведущей звездочки, м;
b – расстояние от точки приложения результирующей силы сопротивления грунта копанию о оси ведущей звездочки, м
P_н, P_к – касательная и нормальная составляющие сопротивления грунта копанию, Н;
h – высота точки приложения сил сопротивления грунта на отвале, м.
Положение цента давления характеризует эффективность использования тягово-сцепных характеристик трактора. Наибольший эффект достигается при выполнении условия
x_ц<0,67L_г=0,67∙4,8=3,21 м.  
Можно воспользоваться и другим вариантом условия: смещение центра давления от середины опорной поверхности гусениц не должно превышать 1/6 длины гусеницы.

3.2 Параметры отвала
К основным параметра отвала относятся его ширина и высота, а также углы, характеризующие положение отвала в пространстве по отношению к разрабатываемому грунту (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 – Расчетная схема отвала
Принимаем высоту и ширину отвала, H = 1,3 м и B = 3,2 м соответственно.
Высота козырька
H_к=0,2H=0,2∙1,3=0,26 м.  
Угол наклона отвала ε формирует призму волочения. При малом ε грунт пересыпается через отвал, при большом – ухудшаются условия подъема вверх по отвалу.
Угол заострения β определяет характер изменения давления ножа на грунт по мере его затупления. При малых значениях β режущая кромка ножа быстро затупляется.
Радиус кривизны r криволинейной поверхности обеспечивает переваливание грунта перед отвалом, чтобы исключить потери грунта через отвал.
Указанные выше параметры имеют оптимальные значения и представляются в таблице 3.1 [10].
Таблица 3.1 – Параметры поворотного отвала бульдозера
Параметр Значение
Угол резания α, град 55
Угол наклона отвала ε, град 75
Угол опрокидывания ψо, град 70
Угол установки козырька ψк, град 100
Задний угол γ, град 15

3.3 Тяговый расчет
Необходимое тяговое усилие расходуется на преодоление нескольких видов сопротивления копанию. Отмечается, что анализируется самый тяжелый вариант:
1) бульдозер при перемещении и копании движется на подъем;
2) призма волочения достигает наибольшей величины.
При копании грунта его часть (в случае ковша) или практически весь грунт (в случае отвала) перемещается перед рабочим органом в виде фигуры, напоминающей призму (если смотреть на рабочий орган спереди). Форма этой фигуры, получившей название призмы волочения, определяется конфигурацией поверхности рабочего органа, траекторией движения, а также свойствами грунта.
В расчетах обычно принимают, что грунт после разрушения при резании рабочим органом превращается в среду со свойствами, которые характерны для сыпучего материала. Поэтому грунт в призме волочения рассматривают как сыпучую среду, а свободные боковые поверхности призмы образуют с горизонтом угол, равный естественному углу откоса (в условиях движения призмы).
При копании отвалом роль призмы волочения преобладающая. При копании ковшом она также достаточно значительна. При этом, чем более сыпучий грунт, тем больше объем грунта в призме волочения. Сопротивление (кН) резанию
W_р=k_р Bc,  
где k_р – удельное сопротивления грунта резанию, связанное с категорией трудности его разработки, k_р=100 кПа [10];
c – толщина стружки, c=0,3 м.
Тогда
W_р=100∙3,2∙0,3=96 кН. 
Сопротивление (кН) перемещению призмы волочения грунта перед отвалом
W_пр=(f_2+i) G_пр,  
где f_2 – коэффициент трения грунта по грунту, f_2=0,4…0,8 [10];
i – индекс уклона;
G_пр – сила тяжести грунта в призме волочения, кН.
С учетом параметров отвала
W_пр=ρ_г g (BH^2)/(2k_пр ) (f_2+i),  
где ρ_г – плотность грунта, ρ_г=1600 кг/м^3;
g – ускорение свободного падения, g=9,81 м/с^2;
k_пр – коэффициент формы призмы волочения, зависящий от свойств грунта и соотношения H/B, k_пр=1,3 [10].
Тогда
W_пр=1600∙9,81 (3,2∙〖1,3〗^2)/(2∙1,3) (0,4+0)=8,52 кН. 

Сопротивления (кН) от перемещения грунта вверх по отвалу
W_тр=ρ_г g (BH^2)/(2k_пр ) f_1 cos^2⁡〖α,〗  
где f_1 – коэффициент трения грунта по стальному отвалу, f_1=0,5 [10];
α – угол резания, α=50°.
Тогда
W_тр=1600∙9,81 (3,2∙〖1,3〗^2)/(2∙1,3)∙0,5 cos^2⁡〖50°=4,4 кН.〗 
Сопротивления (кН) передвижению бульдозера
W_б=G_б (ω+i),  
где ω – коэффициент сопротивления движению бульдозера, ω=0,02.
Тогда
W_б=96,73(0,02+0)=2,25 кН. 
Сила сопротивления передвижению грунта вдоль отвала (при косом резании)
W_тр^пов=ρ_г g (BH^2)/(2k_пр ) f_1 f_2 cos⁡α=96,73∙0,5∙0,4 cos⁡〖50°〗=4,2 кН.