Лекция № 16 Процесс выемки пород бульдозерами
Бульдозер – гусеничный или колесный тягач, оборудованный лемехом. Как и колесный скрепер, он может производить выемку, перемещение и складирование породы. По мощности базового тягача бульдозеры подразделяются на сверхмощные (более 250 кВт), мощные (110—250 кВт), средние (75—110 кВт) и легкие (25—60 кВт).
Лемех бульдозера может быть неповоротным (чаще всего) и поворотным. Управление лемехом у гусеничных бульдозеров канатное или гидравлическое. По форме различают прямые U-образные, полу-U-образные и буксировочные лемеха.
Забоями бульдозера, как и колесного скрепера, могут являться площадка, продольный и торцевой откосы уступа или развала (см. рис. 13.1). Целесообразны наклонные забои с зарезкой и перемещением породы под уклон.
Рисунок 16.1 Схема действия сил при выемке пород бульдозером: Gп.в – вес призмы волочения; Р2 – вертикальная составляющая суммарной реакции Р породы
Цикл работы бульдозера состоит из зарезки горизонтального или наклонного слоя выемки, набора породы в объеме призмы волочения, перемещения последней и разгрузки.
Во время движения неповоротного бульдозера с заглубленным лемехом тяговым усилием Рт (кН) преодолеваются сопротивления (рис. 16.1): перемещения самого бульдозера Wб, резанию породы лемехом (горизонтальная составляющая Р1 суммарной реакции Р породы), перемещению породной призмы волочения Wп.в, подъему породы вверх по лемеху Wi. Таким образом должно соблюдаться условие
Рт 
Wб + P1 + Wп + Wi = 
oGб + KFрbt· 103 + (1.2—1.3)·10-3 · Vп.в 
g 
(Gб + Vп.в р) i, (16.1) где о – основное удельное сопротивление движению тягача, кН/т; ( о = 0.8—1.2 кН/т); Gб – масса бульдозера, т; KFр – удельное сопротивление породы резанию, МПа; b, t – соответственно ширина и толщина стружки, м; Vп.в – объем призмы волочения, м3; р – плотность разрыхленной породы, кг/м3; f – коэффициент трения породы ( см. таблицу 15.2); i – удельное сопротивление движению тягача от уклона, кН/т.
Ориентировочно значения KFр и р при расчете тяговых усилий бульдозера приведены ниже
Порода ........................................................... Глина Супесь и суглинок Песок
KFр МПа ............................................. 0.12—0.20 0.07 – 0.10 0.05—0.06
р кг/м3 ............................................ 1200—1800 1600—1800 1500—1700
Сопротивления Wп.в и Wп при зарезке слоя выемки возрастают от нуля до максимальной величины по мере накопления породы в призме волочения. Для полного использования тягового усилия бульдозера в течении всего периода зарезки целесообразно постепенно уменьшать сопротивление Р1, что достигается клиновой зарезкой ( рис. 16.2, а), когда толщина стружки t уменьшается по мере накопления породы перед лемехом. При разработке плотных пород целесообразна гребенчатая зарезка с многократным заглублением лемеха на толщину стружки t1, t2 и t3 (рис. 16.2, б), иначе P1 >Р2. В легких связных и песчаных породах используется ленточная зарезка (рис 16.2, в), при которой толщина стружки t = tmax = const, а длина участка зарезки (набора породы) Lн и время накопления породной призмы перед лемехом минимальны.
Рисунок 16.2 Схемы способов формирования слоя выемки (зарезки) бульдозером
Ширина стружки b принимается равной длине лемеха lл при выемке сыпучих и неуплотненных мягких пород. С повышением трудности экскавации (величины KFр ) ширина стружки уменьшается, а длина выемочного участка увеличивается. Практически параметры b и t регулируют совместно, чтобы выдержать допустимые значения . P1.
При перемещении породы, когда P1 = 0, резерв мощности тягача может быть использован как на увеличение скорости перемещения, так и объема призмы волочения на 12—15%, для чего лемех оснащают щеками или открылками-уширителями и козырьком.
Плотные, трещиноватые полускальные и мерзлые породы необходимо подготавливать к выемке механическим рыхлением. При выемке взорванных пород размер породных кусков не должен превышать 100 – 120 см. Рационален боковой набор породы с движением бульдозера по подошве уступа вдоль развала с частичным внедрением в него лемеха (выемка узкой заходкой ). Если длина пути набора породы Lн и угол откоса развала 
, то действительный объем (м3) призмы волочения
Vп.в = 0.5(mlл).2 Lнtgtg , (16.2) где m = b/lл – отношение части лемеха, внедряемой в породу, к полной его длине lл.
Расчетный объем призмы волочения при высоте лемеха hл
Vп.в.р = 0.5h2лctg . (16.3)
При Lн = 8—10 м m = 0/2—0.4, а ширина узкой заходки Ау = mlл = 0.7—1.2 м. Высота развала при бульдозерной выемке по условиям безопасности не должна превышать 5—7 м. Из-за увеличения времени выемки взорванной породы и уменьшения объема призмы волочения (за счет увеличения коэффициента разрыхления и угла естественного откоса пород) производительность бульдозера снижается в 1.5—2 раза по сравнению с разработкой мягких пород.
Для уменьшения потерь породы при транспортировании бульдозер многократно проходит по одной полосе шириной 3—3.5 м, формируя по краям полосы валики шириной 0.7—1 м, препятствие растеканию породы ( рис. 16.3, а, б); глубина образующейся траншеи составляет 0.6—0.7 м. В мягких породах бульдозеры иногда работают спарено (рис. 16.3, в), при этом производительность их увеличивается на 30—50%
Рисунок 16.3 Схемы способов уменьшения потерь породы при их транспортировании бульдозером: а – созданием траншей; б – многократными проходами по одному следу; в – спаренно1й работой бульдозеров; г – созданием промежуточных валов
С увеличением расстояния транспортирования породы Lт до 50—100 м весь участок перемещения разбивают на две-три части (l1, l2, l3). В конце каждой части породу штабелируют в виде промежуточного вала, последовательно перемещаемого к месту разгрузки (рис. 16.3, г). Продолжительность цикла при этом увеличивается, но производительность бульдозера возрастает на 30—40% за счет уменьшения потерь и улучшения набора породы.
Схемы движения бульдозера – челноковая и кольцевая. Кольцевую схему целесообразно применять при расстоянии транспортирования более 50 м.
При работе бульдозера допустимы следующие максимальные уклоны,%:
ход подъем спуск поперечный уклон груженый 15—18 50 30 порожный 35—42 50 30
Разгрузка бульдозера производится под откос уступа послойно с последующим разравниванием (поднятием лемеха на высоту слоя) или штабелирования в зависимости от характера работы и вида применяемого затем погрузочного оборудования.