Виды, назначение, конструкция ножа отвала бульдозера

Введение 
Земляные работы на строительстве – наиболее трудоёмкие из всех видов строительных работ, они имеют наибольшие относительные объёмы.Осуществление строительных работ связано с выполнением большого объёма земляных работ на транспортном, гидротехническом, промышленном и городском строительстве. Задача эта может быть успешно решена только путём применения высокопроизводительных машин и комплексной модернизации всех процессов земляных работ.Значительное развитие получили конструкторские работы, проводимые научно-исследовательским институтом строительного и дорожного машиностроения, научно-исследовательским институтом землеройного машиностроения, конструкторское бюро Челябинского и др. заводов дорожных машин.Интенсивное развитие строительного производства и сокращение сроков ввода в эксплуатацию новых железных и автомобильных дорог требуют ускоренного выполнения больших объемов и комплексной механизации земляных работ, значительную долю которых выполняют бульдозеры.Бульдозер – землеройная машина, состоящая из базового тягача и бульдозерного (навесного) оборудования, предназначенная для резания и перемещения грунта и планировки разрабатываемой поверхности.Бульдозеры как навесное оборудование на тракторы, тягачи и другие базовые машины широко распространены, что объясняется простотой их конструкции, высокой производительностью, возможностью их использования в самых разнообразных грунтовых и климатических условиях и относительно низкой стоимостью выполненных работ. Применяются они в дорожном, железнодорожном, горнорудном, мелиоративном и ирригационном строительстве. Бульдозеры используют для разработки разнообразных грунтов - от чернозема и песка до тяжелой глины.1. Анализ и обзор существующих конструкций ножа отвала бульдозераАнализ достижений машиностроения и технологии индивидуального строительства позволяет выделить ряд основных направлений развития и исследований в области землеройных машин, методов их интенсификации и повышения эффективности. Одним из главных таких направлений является проблема повышения функциональных свойств машин и совершенствование рабочих органов на базе достижения техники и фундаментальных наук. Совершенствование конструкций и расширение производства машин по данному направлению является одной из основных задач машиностроения.Перспективным направлением развития бульдозеров заключается в повышении производительности, расширение технологических возможностей, надежности машин.Для современного бульдозеростроения характерен выпуск конструктивно подобных машин унифицированных между собой как в части базовых тракторов, так и навесного рабочего оборудования.Преимущественное развитие имеют бульдозеры на гусеничном ходу, обеспечивающие высокие тяговые усилия и проходимость.Необходимость повышения производительности бульдозеров на мёрзлых грунтах привела к появлению ряда предложений по добавлению различных дополнительных рабочих органов к отвалу традиционного типа.Проведем патентный обзор с целью выявления авторских свидетельств, формулой которых является расширение технологических возможностей путём разработки плотных и мёрзлых грунтов.Известен бульдозер, (авторское свидетельство №618498) рабочий орган которого включает заднюю стенку 1 (рис. 1), в нижней части которой установлен режущий нож 2, причем на задней стенке 1 выполнены отверстия 3 для прохода воздуха. С тыльной стороны стенки 1 установлены сопла 4, в которых выполнены каналы 5 для прохода воздуха к отверстиям.Угол направления каналов 5 сопел 4 и отверстий 3 относительно касательной к внутренней поверхности задней стенки ориентировав по направлению движения грунта .и имеет величину от α1=5÷15 в нижней части, до α2=90s в верхней части.Рабочий орган работает следующим образом.При поступлении грунта на поверхность задней стенки 1, сжатый воздух, проходящий от компрессора через каналы 5 сопел 4 и отверстий 3 уменьшает трение грунта о стенку 1 и помогает продвижению грунта в верхнюю часть задней стенки 1. Уменьшение усилий при продвижения грунта в ковш достигается уменьшением внутреннего трения поступающего грунта о грунт, который находится на задней стенке. При этом воздух обеспечивает газовую смазку отвала. Когда грунт достигает верхней частя задней стенки, сжатый воздух, проходящий через каналы 5 сопел 4 и отверстий 3, помогает откидывать грунт назад, например, в ковш скрепера облегчая поступление новой стружки грунта и тем самым уменьшая усилие его продвижения. Данный рабочий орган позволяет в применение его на скрепере или бульдозере уменьшить усилие продвижения грунта примерно на 15%.Рисунок 1 – Отвал с отверстиями для выхода воздухаИзвестен бульдозер (авторское свидетельство №956699) рабочий орган которого включает отвал 1 (рис. 2) с ножом 2 и лобовым листом 3, за которым установлен дополнительный лист 4. В лобовом, листе выполнены, расположенные рядам по высоте выпускные отверстия 5, а в дополнительном листе равные по диаметру и расположенные соосно-проходные отверстия 6. На тыльной стороне дополнительного листа установлены воздушные коллекторы 7, сообщенные с источником сжатого воздуха 8.Между лобовым 3 и дополнительным 4 листами смонтированы заслонки 9 с прорезями 10 различной высоты параллельными рядами выпускных 5 и проходных б отверстий. При этом высота каждой нижерасположенной прорези 10 заслонки 9 меньше сечения вышерасположенной, а для обеспечения регулировки расхода воздуха в широком диапазоне высота наибольшей прорези 10 заслонки 9 меньше или равна диаметру отверстий 5 и 6. Фиксация заслонок 9 в нужном положении обеспечивается болтами 11. Последние, сопряжены с пазами 12, выполненными на боковых сторонах лобового листа 3, и с жестко закрепленными с тыльной стороны дополнительного листа 4 вертикальными профилями 13, также играющими роль направляющих пазов. Поверхности заслонок 9, контактирующие с лобовыми 3 и дополнительными 4 листами, покрыты уплотнительным материалом 14, например резиной.Рабочий орган землеройной машины работает следующим образом.Перед разработкой влажных грунтов, когда требуется больший расхода сжатого воздуха, заслонки 9 перемещают по пазам 12 лобового листа 3 и пазами образованным профилем 12 дополнительного листа 4, и фиксируют с помощью болтов 11 в таком положении, что прорези 10 большей высоты совмещены с отверстиями 5 и 6 лобового 4 и дополнительного 5 листов соответственно. Перед разработкой сыпучих грунтов, когда требуется меньший расход сжатого воздуха, заслонки 9 фиксируют в таком положении, что прорези 10 меньшей высоты совмещены с отверстиями 5 и 6. При фиксации заслонки 9 в нужном положении уплотнительный материал 14 исключает утечки сжатого воздуха.Рисунок 2 – Отвал бульдозера, снабжённый дополнительным листом с отверстиями для выхода сжатого воздухаПредложенное устройство обеспечивает регулировку расхода воздуха, подаваемого на отвальную поверхность, расширяет область использования бульдозеров и в итоге приводит к повышению эффективности его работы.Однако отсутствие автоматического регулирования подаваемого на отвал сжатого газа в соответствии с изменением в процессе копания давления грунта на отвал ведет к нерациональному использованию энергии сжатого газа и следовательно, к повышенным энергозатратам.Известен бульдозер (авторское свидетельство №874901) рабочий орган которого включает отвал 1 (рис. 3) с режущим ножом 2, воздушные коллекторы 3, смонтированные на различной высоте с тыльной стороны отвала и снабженные выпускными отверстиями 4. Воздушные коллекторы 3, соединены с источником 5 сжатого воздуха магистралью 6 подвода сжатого воздуха посредством регуляторов 7 давления, которые, в свою очередь, соединены линиями 8 управления, с эластичными емкостями 9, заполненными жидкостью и установленными в прорезях отвала в зоне каждого из воздушных коллекторов.Устройство работает следующим образом.При копании вырезаемая ножом 2 стружка грунта продвигается по поверхности отвала 1 деформируя эластичные емкости 9. Значение деформации, а следовательно, и значение давления зависят от давления грунта на отвал в зоне каждого из воздушных коллекторов 3.Сжатый воздух от источника 5 поступает в магистраль 6 подвода воздуха и через регуляторы 7 давления в воздушные коллекторы 3, и через выпускные отверстия 5 на поверхность отвала 1 под давлением, значение которого в каждом из воздушных коллекторов 3 зависит от давления управления, создаваемого воздействием грунта на эластичные емкости 9.Использование предлагаемой конструкции обеспечивает автоматическую регулировку давления сжатого воздуха, подаваемого на отвальную поверхность, в соответствии с изменением в процессе копания давления грунта на отвал в зоне каждого из воздушных коллекторов, что позволяет обеспечить стабильность воздушной смазки отвальной поверхности за счет рационального использования энергии сжатого воздуха.Рисунок 3 – Отвал, снабжённый упругими элементами для регулировки подачи сжатого воздуха  2. Виды и назначение ножа отвала бульдозераОсновное назначение ножей отвала – резанье грунтов. Это один из наиболее распространенных и, вместе с тем, недостаточно изученных, с научной точки зрения, процессов землеройных машин. По оценкам российских специалистов, 55-60% общего объема землеройных работ выполняется экскаваторами. На скреперы, грейдеры и бульдозеры приходится еще 20-30%. Таким образом, до 90% общего объема земляных работ выполняется машинами, работающими по принципу резанья.Рисунок 4 – Конструкция отвалаСовременный отвал в общем виде представляет собой жесткую конструкцию. К вогнутому стальному листу с выпуклой стороны приварена коробка жесткости, это позволяет выдерживать значительные упругие деформации и сохранять необходимую прочность конструкции.Основной задачей отвала является толкание каких-либо элементов грунта: песка, грязи, строительного и бытового мусора и т. п. Отвал может иметь один из трех вариантов формы: S-отвал, U-отвал и SU-отвал.Первый вид отвала является самым коротким из всех и не имеет никаких искривлений. Отвал типа U представляет собой высокую и существенно искривленную пластину. SU-отвал, наиболее распространенный, как не сложно догадаться из названия, сочетает в себе черты двух предыдущих видов, соответственно имеет средние высоту и искривление.Криволинейный лобовой лист отвалу нужен для более легкого и оптимального заполнения его сдвигаемым материалом.До сих пор нет однозначного ответа, какой должна быть наиболее подходящая кривизна профиля стального листа, при которой энергозатраты сводились бы к минимуму. Многочисленные исследования, опыты и разработки показали, что идеальная форма отвала в значительной степени зависит от грунтов, с которыми приходится работать. От их свойств и особенностей, даже от степени влажности и времени года. А поскольку всё это величины, во многом, непредсказуемые, подвести под какую-то эмпирику кривизну отвала не представляется сегодня возможным.Для упрощения технологии производства в настоящее время выпускают отвалы с одинаковой кривизной средней части, равной 0,8-1,0 высоты отвала, а нижнюю и верхнюю части отвалов оставляют плоскими. Выбор правильных углов резанья, которые можно менять наклоном отвала, исключительно важен как для длительности работы режущих ножей, так и энергоемкости процесса резанья. Например, при работе с пластичными грунтами, такими как различные виды глин и суглинки, рекомендуется выставлять угол резанья в пределах 400…500. При работе с песком и другими видами сыпучих грунтов рекомендуемый угол увеличивается до 550. На заводе, при выпуске, отвал устанавливают таким образом, чтобы угол резанья на неповоротных отвалах, т. е. таких, когда отвал закреплен перпендикулярно продольной оси трактора, составлял 550. В бульдозерах с поворотным отвалом, ещё называемых универсальными, отвал можно устанавливать не только под прямым углом к продольной оси машины, но и, некоторым образом, менять угол к направлению движения. Это позволяет осуществлять перемещение грунта в сторону относительно оси движения бульдозера. На универсальных бульдозерах заводы-изготовители выставляют угол резанья от 500 до 550. Рисунок 5 – Ножи отвала бульдозера Komatsu D155-475В средней нижней части изогнутого лобового листа толщиной 10 мм и более, установлены т. н. съемные ножи, а именно два или три средних и два боковых, более коротких. Составная конструкция ножа позволяет более оперативно менять места установки его частей и заменять их индивидуально при износе.Преимущества конструкции среднего ножа из трех частей использовали специалисты Белгородского технологического университета. Ими была модернизирована конструкция отвала, при которой средняя часть основного ножа выдвинута несколько вперед и имеет меньший угол резанья. Такое небольшое изменение на отвале бульдозера Т-330 позволило, по данным разработчиков, снизить сопротивление грунта резанью до 15%, суммарную силу блокировочного резанья – до 20-25%, потребную мощность на копание снизить на 15%, а потребную мощность на резанье – на 20%. Возможно, после более глубоких исследований, такая конструкция будет использоваться повсеместно.Средние ножи, как правило, двухсторонние, т. е. имеют по краям параллельные кромки, скошенные под углом 300. Для повышения износостойкости, в отечественной практике, как восстанавливаемые, так и новые ножи рекомендуют наплавлять сормайтом или сталинитом. При износе обеих режущих кромок ножи заменяют, а снятые ножи тщательно осматривают для решения вопроса о восстановлении.Крепятся средние ножи к подножевой плите крепёжными болтами с квадратными оголовниками, предотвращающими проворачивание при закреплении гайками. Коническая головка болта входит в раззенкованное отверстие в ноже таким образом, что утапливается «заподлицо» и не создает препятствий при движении грунта по ножу.С целью повышения срока службы унифицированных ножей их изготавливают с двумя рядами отверстий под крепление, раззенкованных с двух сторон. На заводе-изготовителе нож крепится болтами и гайками, установленными в нижнем ряду отверстий. Второй параллельный ряд отверстий нужен для выдвижения ножа после изнашивания режущей кромки в первоначальном положении. Нельзя устанавливать неизношенные ножи сразу на большой вылет, т. к. это грозит их поломкой. Большой вылет ножей встречается только при эксплуатации скреперов, но там величина вылета и порядок установки ножа оговаривается в инструкции.При износе острой кромки ножа, после его выдвижения и перестановки крепежей в другой ряд отверстий, нож снимают с отвала и разворачивают на 1800 и снова закрепляют, используя нижний ряд крепежных отверстий. Нож работает вторым острым краем до его износа. И тогда последний раз нож сдвигают вниз, для чего и крепят за верхний ряд крепежных отверстий. Такая 4-кратная перестановка средних ножей значительно увеличивает их ресурс.Боковые ножи представляют собой пластины, у которых нижняя и наружная боковые кромки утолщены для повышения износостойкости и скощены под углом 600. Верхний край бокового ножа скошен под углом 450, это снижает при работе прилипание грунта в этой области. Боковой нож крепится аналогично среднему, но более мощно, его удерживают от смещения два ряда отверстий, в которых стоят болты с гайками. Соответственно, в самой пластине бокового ножа имеется 4 ряда отверстий, т. к. нож тоже смещается, в случае износа режущей части, вниз.В практической деятельности иногда сложно использовать нож одной формы на все «случаи жизни». Поэтому конструкций ножей много. Например, грейдерный гребенчатый нож необходим, когда требуется освободить дорогу от прочного многонедельного ледяного покрытия и ледяных наростов. Такой нож можно переворачивать для использования второго края ножа, поэтому служит он долго.Для более сложных работ по удалению ледяных наростов, образующихся на зимних дорогах, разработан резцовый нож среднего отвала. Этот нож является аналогом гребенчатого ножа, но имеет только одну рабочую сторону. Режущая часть его представляет собой ряд твердосплавных поворотных резцов, которые являются сменными.Для быстрой очистки трассы от ледяного наката и затвердевшего снега эффективно применяется сетчатый нож, или, как еще его называют, перфорированный. Особенно положительно сказывается использование такого ножа перед последующей обработкой дороги соляной смесью или гранитной крошкой. После проходки с использованием этого ножа на дорожном покрытии остаются борозды, которые хорошо задерживают и гранитную крошку, и реагенты, уничтожающие лед.Твердосплавный нож для отвалов автогрейдеров рассчитан на работы в особо тяжелых условиях. Нижняя кромка такого ножа имеет впайку из твердосплавных пластин, поэтому даже ножи из износостойких сталей уступают твердосплавному ножу по ресурсу работы. Наиболее эффективно такой нож также проявляет себя в условиях «русской зимы» в самых суровых ее проявлениях, при борьбе с ледяными торосами и наростами на дорогах.В России промышленность, в основном, ножи изготавливает из углеродистой стали 65Г, а также из сталей 30ХГТ, Ст.35.Крайние, или боковые ножи, находятся по краям отвала. Как уже отмечалось, они односторонние, т. е. имеют одну режущую грань, но более толстые, чем основные, и изготавливаются из марганцовистой износостойкой стали.Повышающиеся год от года требования к износостойкости и повышению ресурса ножей вносят свои коррективы. Стали отечественного производства, к сожалению, не имеют стабильного качества, а производители ножей не всегда используют в техпроцессах даже современные методы термообработки. Но, уже после закалки и отпуска, нож из стали 65Г все равно не сможет применяться в условиях низких температур, т. к. при понижении температуры от 00 до минус 200 С происходит охрупчивание стали. С.-Петербургское предприятие «Автогрейдер СТЗ» предлагает продукцию шведской компании Borox International AB. Ножи Borox изготавливаются из стали Borox 500, в которой сочетаются высокие показатели твердости – 500HB – и значительная ударная вязкость, не изменяющаяся практически до температуры минус 400 С. Это позволяет использовать шведские ножи в условиях Крайнего Севера. Уникальные свойства стали Borox обусловлены мелкозернистой структурой металла, его однородностью и наличием в составе специальных легирующих элементов.Ведущие мировые производители спецтехники, такие как Caterpillar и Komatsu, используют на своих отвалах ножи из легированных сталей типа DH-2 и DH-3. В этих материалах находится значительный процент бора и никеля, за счет этого повышается устойчивость ножа к изнашиванию и ударным нагрузкам.В процессе эксплуатации основным «поражающим» фактором режущих ножей является абразивный износ. Особенностью его является преобладание разрушения в результате отделения микроскопических объемов металла частицами грунта, внедряющимся в режущий инструмент благодаря большой твердости. Кроме того, имеют место трещины, коробление, сколы на режущей кромке. «Затупление» сопровождается потерями мощности на преодоление сопротивления грунта и снижением производительности. Последнее обстоятельство является основной причиной смены ножей.При трещинах и сколах ножи однозначно бракуют. Подлежащие восстановлению, изношенные ножи восстанавливают в основном наплавкой износостойкими сплавами, такими как сормайт, сталинит, порошковая проволока и другими т. п. материалами, по уже годами хорошо отработанной технологии. При наплавке нож крепят к столу специальными прижимами или струбцинами. Это помогает избежать коробления при воздействии высоких температур. Рекомендуется наплавлять также и новые ножи, если они изготовлены из рядовой стали. Если нож, сделанный из ст.35, наплавить сормайтом, то его износостойкость повысится не менее чем в 2 раза. Если после наплавки обнаруживается коробление ножа, его рихтуют под прессом. В заключение надо отметить, что основные достоинства землеройно-транспортных машин заключаются в том, что одна машина может разрабатывать, транспортировать, а иногда и уплотнять грунт. Для высокой производительности этой необходимой техники необходимы современные, надежные, недорогие режущие системы.  

Список использованной литературы
Анурьев В. И. Справочник конструктора-машиностроителя: 1,2,3, том. –5-е издание, перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 2020.Баловнев В. И. Дорожно-строительные машины с рабочим органом интенсифицирующего действия: Учебное пособие. – М.: Машиностроение, 2016. – 223 с.Бородачев И.П. Справочник конструктора дорожных машин .М., “Машиностроение”, 2013 –504 с.Броневич Г.А. Курсовое и дипломное проектирование по специальности строительные машины и оборудование. М.,”Стройиздат”, 2013 –240 с.Васильченко В.А. Гидравлическое оборудование мобильных машин: Справочник. – М.: Машиностроение, 2013. – 302 с.Ветров Ю.А. Расчёты сил резания и копания грунтов. Изд. Киевского университета, 2015. – 412 с.Власов А. Ф. Предупреждение производственного травматизма: Учебное пособие. - М.:Профиздат, 2013. – 201 с.Домбровский Н.Г., Гальперин М.И. Землеройно-транспортные машины. М.,”Машиностроние”, 2015 – 276 с.Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Конструирование узлов и деталей машин. М.,”Высшая школа”, 2021 – 447 с.