7. MAŞINI DE SĂPAT, NIVELAT, TRANSPORTAT – BULDOZERE

Buldozerele sunt maşini de săpat şi transportat, care au ca organ de lucru o lamă montată în partea din faţă a maşinii. Săparea se realizează prin deplasarea maşinii. Lama se înfige în pământ sub acţiunea forţei din cilindrii hidraulici de manevrare a echipamentului şi a greutăţii acestuia. Pământul săpat prin deplasarea maşinii se aglomerează în faţa lamei, formând o prismă de pământ.

Buldozerele se utilizează la executarea lucrărilor de terasamente pentru drumuri, căi ferate, la pregătirea terenului pentru lucrări de construcţii, la nivelarea terenurilor, la umplerea gropilor, astuparea şanţurilor, curăţarea zăpezii şi alte lucrări.

Clasificarea buldozerelor:

-după mecanismul de deplasare:

a) buldozere pe şenile, caracterizate prin forţă de aderenţă mai mare, presiune mai mică pe teren şi stabilitate mai bună;b) buldozere pe pneuri cu şasiu rigid sau şasiu articulat, caracterizate prin viteze de deplasare mai mari

-după transmisia mecanismului de deplasare:

a) buldozere cu transmisie hidromecanică;b) buldozere cu transmisie hidrostatică;c) buldozere cu transmisie mecanică.

-după construcţia echipamentului de lucru:

a) buldozere cu lamă fixă;b) buldozere cu lamă orientabilă.

-după construcţia mecanismului de manevrare a echipamentului:

a) buldozere cu cilindri fixaţi pe capota motorului; b) buldozere cu cilindri fixaţi pe cadrul şenilelor;c) buldozere cu cilindri fixaţi lateral.

Principalii parametri ai buldozerelor sunt:

-masa maşinii;-forţa de tracţiune maximă;-lungimea, înălţimea şi profilul lamei;-volumul prismei de pământ din faţa lamei;-înălţimea maximă de ridicare a lamei;-adâncimea maximă de săpare;-domeniul vitezelor de deplasare;-dimensiuni de gabarit.

Construcţia şi funcţionarea buldozerelor

În figurile 7.1 – 7.3 se dau mai multe scheme constructive pentru buldozere.

Schema din figura 7.1 are avantajul că modificările maşinii de bază faţă de un tractor pe şenile de serie sunt minime, dar determină forţe mari în cilindrii hidraulici - comparativ cu schemele din figurile 7.2 şi 7.3, şi de aceea această soluţie nu se poate utiliza decât la buldozere de mică capacitate.

Schema din figura 7.2 are avantajul că asigură înălţimi mari de ridicare a lamei cu cilindri hidraulici de lungime mică, dar se îngreunează accesul la motorul diesel pentru lucrări de mentenanţă.

De aceea, la majoritatea buldozerelor, cilindrii hidraulici se fixează pe capota motorului, care trebuie întărită corespunzător - comparativ cu tractoarele pe şenile de serie.

Fig.7.1.Buldozer pe şenile de putere mică cu cilindrii hidraulici fixaţi pe cadrul şenilelor

1 – maşina de bază; 2 – lamă; 3 – cadru; 4 – articulatia cadrului la maşina de bază; 5 – cilindrii hidraulici pentru manevrarea echipamentului; 6 – tije reglabile; 7 – urechi fixate pe cadrul şenilelor.

Fig.7.2. Buldozer pe şenile cu cilindrii hidraulici montaţi lateral

1 – maşina de bază; 2 – lamă; 3 – cadru; 4 – articulatia cadrului la maşina de bază; 5 – cilindrii hidraulici pentru manevrarea echipamentului; 6 – tije reglabile; 7 – urechi fixate pe cadrul şenilelor; 8 – pârghii; 9 – tije.

Fig.7.3. Buldozer cu lamă orientabilă cu cilindrii hidraulici montaţi pe capota motorului.a) vedere de ansamblu; b) vedere de sus a echipamentului.

1 – maşina de bază; 2 – lamă; 3 – cadru; 4 – cilindri hidraulici; 5,6 – tije articulate; 7 – articulaţia cadrului la maşina de bază; 8 – urechi pentru fixarea tijelor articulate la cadru; 9 – urechi pentru fixarea cilindrilor hidraulici la cadru; 10 – articulaţie sferică; 11 – bolţuri

Buldozerele pot fi dotate cu lamă fixă ca în figurile 7.1 şi 7.2 sau cu lamă orientabilă.

În schema din figura 7.3 se prezintă un buldozer cu lamă orientabilă cu cadru în formă de U, la care schimbarea poziţiei lamei în plan orizontal se realizează prin demontarea bolţurilor 11 de fixare a tijelor 5 şi 6 la cadrul 3, rotirea lamei in jurul articulaţiei 10 şi montarea bolţurilor în alte urechi. Se obţin trei poziţii ale lamei în plan orizontal; în poziţia în care lama este perpendiculară pe direcţia de deplasare pământul săpat poate fi transportat pe distanţe mici (de la câţiva metri până la câteva zeci de metri), iar dacă lama este rotită spre stânga sau spre dreapta, pământul săpat este deplasat lateral.

Fig.7.4. Buldozer –cote principale

În figura 7.4 se indică cotele principale pentru un buldozer, dintre care se menţionează: înălţimea lamei A, lungimea lamei B, înălţimea maximă de ridicare a lamei H, adâncimea maximă de săpare K, unghiul de înclinare a lamei în plan orizontal Y (unghiul de atac), înclinarea lamei în plan vertical T. Alţi parametrii tehnici: puterea motorului (kW); masa proprie (kg); presiunea exercitatǎ de şenile asupra solului (N/cm2); viteza de lucru şi viteza de deplasare (km/h).

Fig.7.5. Buldozer –manevrarea lamei cu cilindri hidraulici

Există şi buldozere la care manevrarea lamei în plan orizontal, precum şi înclinarea în plan vertical se realizează cu ajutorul unor cilindri hidraulici (fig.7.5). La un astfel de buldozer schimbarea poziţiei lamei se poate realiza foarte uşor, din cabină, fără a fi necesare operaţii suplimentare ca la buldozerul cu lamă orientabilă din figura 7.6.

Buldozerul din figura 7.6 are mecanism de manevrare a echipamentului cu cilindri hidraulici, pârghii şi tije ca în schema din figura 7.2 şi echipament cu lamă orientabilă conform schemei din figura 7.3.

Fig.7.6. Buldozer- mecanism cu cilindrii hidraulici

Pentru protejarea roţilor motoare firma Caterpillar foloseşte soluţia din figura 7.7, cu ridicarea roţilor motoare mult deasupra nivelului terenului. În aceeaşi figură se observă:

-supraînălţarea lamei pentru creşterea volumului prismei de pământ;

Fig.7.7. Buldozer cu lamǎ orientabilǎ

-înlocuirea unei bare de rigidizare cu un cilindru hidraulic în vederea înclinării lamei în plan vertical cu ajutorul acestui cilindru;

- fixarea cilindrilor hidraulici la capota motorului printr-o articulaţie dublă.

Fig.7.8. Scheme pentru echipamentul de scarificator

a). Scarificatorul simplu; b) Scarificatorul cu mecanism paralelogram1 – maşina de bază; 2 – suport de fixare la maşina de bază; 3 – cadru; 4 – traversă; 5 – dinţi; 6 – cilindri hidraulici pentru manevrarea echipamentului ; 7 - cilindri hidraulici pentru reglarea unghiului de scarificare.

În mod frecvent buldozerele sunt prevazute şi cu un echipament de scarificator amplasat în partea din spate a maşinii. În figura 7.8 se prezintă scheme pentru două variante de scarificator: scarificatorul simplu şi scarificatorul cu mecanism paralelogram, care are avantajul că asigură menţinerea constantă a unghiului de scarificare la diferite adâncimi de scarificare.

În figura 7.9 se prezintă un scarificator cu un dinte, cu mecanism de manevrare tip paralelogram, cu două perechi de cilindri hidraulici: o pereche pentru deplasarea dintelui pe verticală cu menţinerea constantă a unghiului de scarificare şi o pereche pentru modificarea unghiului de scarificare.

Fig.7.9. Scarificator cu un dinte

Se observă şi aici cilindrul hidraulic pentru înclinarea lamei în plan vertical, montat între lamă şi grinda cadrului.

Fig.7.10. Scarificator –cilindrul hidraulic pt. înclinarea organului de lucru

În figura 7.10 se prezintǎ un echipament de scarificator cu mai mulţi dinţi (3...5) dotat tot cu mecanism de manevrare tip paralelogram, dar fără posibilitatea de reglare a unghiului de scarificare.

În figura 7.11 se prezintă o variantă de transmisie hidromecanică des folosită la mecanismul de deplasare al buldozerelor. Caracteristica de tracţiune a unei astfel de transmisii se prezintǎ în figura 7.12 şi indică variaţia automată vitezei de deplasare funcţie de forţa de tracţiune pentru diferite trepte ale cutiei de viteze. La rezistenţe mari la deplasare viteza maşinii scade până la oprirea maşinii, fară a se opri însă şi motorul .

Fig.7.11. Transmisie hidromecanică pantru mecanismul de deplasare al buldozerelor

Fig.7.12. Caracteristica de tracţiune a buldozerului cu transmisie hidrostatică-variaţia vitezei de deplasare funcţie de F de tracţiune

Fig.7.13. Caracteristica de tracţiune a buldozerului cu transmisie hidrostatică- variaţia vitezei de deplasare în funcţie de puterea P

În ultimii ani la buldozerele pe şenile se utilizează tot mai mult transmisia hidrostatică la mecanismul de deplasare cu pompe cu debit reglabil şi motoare hidrostatice cu volum geometric reglabil, precum şi sisteme automate de reglaj, care asigură reglarea automată a vitezei de deplasare funcţie de rezistenţa la deplasare şi menţinerea motorului diesel în zona turaţiei nominale, asigurând un consum optim de combustibil şi evitând supraîncărcarea motorului. Caracteristica de tracţiune a buldozerului cu transmisie hidrostatică este indicată în figura 7.13. Schema de principiu a unui astfel de sistem se dă în figura 7.14. Se asigură simplificarea construcţiei maşinii prin eliminarea convertizorului hidraulic de cuplu şi a cutiei de viteze cu ambreiaje de fricţiune şi frâne cu discuri pentru schimbarea vitezelor în sarcină. În cazul transmisiei hidrostatice, fiecare şenilă este acţionată separat de un motor hidraulic rotativ prin transmisii mecanice (fig.7.15).

Fig.7.14. Schema de acţionare a mecanismului de deplasare

Fig.7.15. Sistemul de acţionare a unei şenile -M hidraulic rotativ + Tr. mecanicǎ

Pe lângă buldozerele pe şenile, care asigură forţe mari de tracţiune, stabilitate bună şi presiune pe teren redusă, se utilizează uneori şi buldozere pe pneuri, care se pot deplasa pe drumurile publice de la un şantier la altul şi realizează viteze de deplasare mult mai mari decât buldozerele pe şenile. În figura 7.16 se prezintă un buldozer pe pneuri cu şasiu articulat.

Fig 7.16. Buldozer pe pneuri

Utilizarea electronicii şi automaticii la acţionarea buldozerelor

Electronica joacă un rol important în dezvoltarea maşinilor de săpat moderne, asigurând utilizarea cu eficienţă maximă a motorului diesel şi a sistemului hidraulic. A trecut timpul în care mecanicul avea controlul complet asupra maşinii şi se accentuează tendinţa de a se realiza controlul sistemului motor diesel- instalaţie hidraulică de către microprocesor (fig.7.17).

Microprocesorul stabileşte turaţia motorului diesel şi debitul pompelor în funcţie de condiţiile de lucru, asigurându-se creşterea productivităţii, reducerea consumului de combustibil, manevrarea lină, fără şocuri a mecanismelor, reducerea uzurii componentelor maşinii, reducerea cheltuielilor de mentenanţă şi reparaţii şi în final un cost unitar mai mic al lucrării.

În funcţie de semnalele de intrare primite, microcontrolerul optimizează regimul de lucru al motorului diesel şi generează semnale de comandă pentru distribuitoarele cu comandă electrică, care reglează funcţionarea pompelor şi motoarelor hidraulice.

Microcontrolerul se reglează înainte de începerea procesului de lucru, selectând un anumit mod de lucru, ca de exemplu funcţionarea în regim manual sau automat, direcţia de deplasare, creşterea sau reducerea vitezei de deplasare, efectuarea virajului.

Pentru reglarea pompelor şi motoarelor hidraulice se utilizează distribuitoare electrohidraulice cu electromagneţi proporţionali, care primesc semnale de comandă de la microcontroler. La viraj motoarele hidraulice stânga şi dreapta primesc semnale de comandă diferite funcţie de raza de viraj dorită.

La cerere se poate realiza şi o diagnosticare a stării tehnice a maşinii; se afişează principalii parametri şi, în caz de necesitate, sistemul electronic avertizează mecanicul asupra necesităţii efectuării unor operaţii de întreţinere, iar în caz de pericol imediat realizează oprirea automată a maşinii.

Fig.7.17. Microprocesor de control a sistemului motor diesel- instalaţie hidraulică

Un alt exemplu de utilizare a electronicii, larg folosit în prezent, este sistemul automat de supraveghere, numit EMS (Electronic Monitoring System), care informează permanent mecanicul, prin afişare pe un ecran aflat la bord, asupra valorilor unor parametri importanţi ai maşinii (fig.7.18).

Fig.7.18. Sistemul EMS Fig.7.19. Manete multifuncţionale joystick

Privind sistemul de comandă al echipamentului de lucru se menţionează următoarele perfecţionări:

-posibilitatea de control a vitezei mecanismului comandat în funcţie de poziţia manetei de comandă a distribuitorului hidraulic, utilizând sistemul de reglare automată denumit “load sensing”, care asigură variaţia liniară a debitului pompei cu deplasarea sertarului distribuitorului la un randament acceptabil al sistemului;

-posibilitatea de control a deplasării organului acţionat, utilizând un sistem cu control proporţional de presiune, denumit PPC (Proportional Presure Control), care asigură o mişcare a cilindrului hidraulic acţionat proporţională cu mişcarea manetei de comandă;

-utilizarea unor manete multifuncţionale (joystick), ca în exemplul din figura 7.19, care uşurează mult munca mecanicului;

- reglarea automată a poziţiei lamei la lucrări de nivelare cu ajutorul unor sisteme bazate pe laser (fig.7.20), compuse din emiţător laser rotativ 1, receptoare laser 2, care emit semnale de comandă pentru cilindrii hidraulici ai echipamentului de lucru şi care sunt montate pe tije telescopice 3, care pot fi reglate din cabină;

-controlul poziţiei lamei prin radio utilizând sistemul GPS (fig.7.21)

Fig.7.21. Controlul poziţiei maşinii şi a lamei prin radio cu ajutorul sistemului GPS

Fig.7.20.Controlul automat al poziţiei lamei cu laser

Puterea motorului de acţionare:

-este corelatǎ cu masa proprie a maşinii

-determinǎ forţa de tracţiune maximǎ la nivelul şenilelor, Ft

F t ≤ Fa=φ∙ Mg (7.1)

unde - φ este coeficientul de aderenţǎ şenilǎ-solM –masa proprie a maşiniiFa – forţa de aderenţǎ la şenile

Rezultǎ cǎ puterea în exces, fǎrǎ aderenţa necesarǎ, nu este utilǎ. Pentru ca Fa sǎ fie cât mai mare, trebuie ca atât M, cât şi φ sǎ fie mari din acest motiv, plǎcile şenilelor au nervuri transversale proeminente.

Fig. 7.22. Forţele care acţioneazǎ asupra buldozerului în timpul lucrului.

În timpul sǎpǎrii, terenul opune o rezistenţǎ, materializatǎ prin reacţiunea R –de mǎrime şi direcţie necunoscutǎ, dar care se poate descompune în douǎ componente: N- normalǎ – care se opune înfigerii lamei în pǎmânt, fiind compensatǎ prin acţiunea cilindrilor de apǎsare şi a greutǎţii proprii a echipamentului; T- tangenţialǎ – învinsǎ de forţa de tracţiune a şenilelor, fiind la limitǎ egale:

T ≤ F t−W (7.2)

W =(Gb−N )∙w (7.3)

unde W este rezistenţa la rulare; Gb - greutatea buldozerului, w –coeficientul de rezistenţǎ la rulare

Componenta N este şi ea limitatǎ (tinde sǎ rǎstoarne buldozerul în raport cu axa care înţeapǎ planul în punctul R marcat pe desen) şi rezultǎ din ec. de echilibru a echipamentului faţǎ de pct. R:

N ∙ Ln ≤ Gech ∙ Le (7.4)

unde Gech - greutatea echipamentului de lucru; Gt - greutatea tractorului; Ln, Le, Lt – distanţele suporturile forţelor la punctul de rǎsturnare (R).

Cunoscǎnd valoarea forţei N, din condiţia de echilibru a echipamentului de lucru faţǎ de punctul de rǎsturnare R, rezultǎ efortul maxim S care trebuie dezvoltat de cilindrii de apǎsare:

∑ M O=0 : S ∙l S=N ∙lN−Gech ∙le−T ∙h (7.5)

Unde lS, lN, le – distantele forţelor la articulaţia O a cadrului de împingere.

Forţa de tracţiune în timpul lucrului este mai micǎ decât cea impusǎ prin relaţia (7.1), deoarece încǎrcarea aderentǎ se diminueazǎ datoritǎ acţiunii forţei N:

φH

L

F t ≤ φ∙ (Gb−N ) (7.6)

În concluzie, masa proprie a maşinii de bazǎ (tractorul), ca şi cea a echipamentului de lucru, influenţeazǎ performanţele buldozerului.

Presiunea exercitatǎ de şenile pe sol nu depǎşeşte 1,2….1,3 daN/cm2. Aceastǎ valoare serveşte la alegerea dimensiunilor şenilelor.

Puterea motoarelor buldozerelor variazǎ în intervalul: 45 CP (33 kW) –buldozere mici…..150-180 CP –buldozere mari, ajungând pânǎ la 700 CP la buldozere f. mari.

(1 kW = 1,34 CP) Buldozerele cu sistem de deplasare pe şenile au cel puţin douǎ viteze:

- o vitezǎ de lucru, mai micǎ: 4…6 km/h- o vitezǎ de deplasare : dublu ca valoare faţǎ de cea precedentǎ

Productivitatea buldozerelor: se exprimǎ în -[m3/h] la sǎpare, decopertare, repartizare- [m2/h] la nivelare

Sǎpare: Pe=3600 ∙V P∙ k P ∙ k t

TC (m3/h)

(7.7)unde: VP –volumul prismei de pǎmânt din faţa lamei (vezi fig. 7.23)

V P=L∙ H 2

2tgφ

în care φ este unghiul de taluz natural. Se poate considera, cu aproximaţie, cǎ:

VP=0,85 LH - lamǎ neorientabilǎ

VP=0,70 LH – lamǎ orientabilǎ

kp- coeficient de pierdere lateral se poate considera kp=1-0,0005dt (dt -distanţa de transport, în m)

Tc=3,6 (ds/vs+dt/vt+dî/vî) [s] (7.8)

în care ds, dt, dî –distanţele de sǎpare, transport, întoarcere [m]vs, vt, vî – vitezele cu care sunt parcurse distanţele de sus, în km/h

Nivelare: Pe=1000 ∙ kS ∙ L∙ v S ∙t S

TC

∙ k t [m2/h] (7.9)

kS – coeficient ce ţine seama de suprapunerea fâşiilor de trecere alǎturate se considerǎ kS=0,8 pt. o suprapunere de cca 0,2L

Fig. 7.23. Prisma de pǎmânt