4. Autogredere

4.1. Generalitati

Autogrederele sunt echipamente tehnologice cu organ de lucru in forma de lama, cu ajutorul carora se executa saparea si transportul pamantului. Aceste tipuri de masini se remarca printr-o buna manevrabilitate a organului activ de lucru (lama) care este orientabil in plan orizontal, vertical, dar si deplasabil in lateral. In conceptia moderna, autogrederele prezinta o serie de performante precum:

- posibilitatea montarii unor echipamente suplimentare ca: lama de buldozer, curatitor de zapada sau echipament de scarificator (fig. 4.1);

- utilizarea actionarii hidrostatice; - posibilitatea reglarii si controlul automat al lamei in vederea mentinerii constante a

unghiului de inclinare al acesteia; - marirea distantei dintre puntea fata si lama pentru a evita efectul de ,,copiere a

denivelarilor terenului; - marirea vitezelor (de lucru si de deplasare) si a puterii motorului.

Fig. 4.1 Autogreder cu echipament suplimentar de scarificator (ex. Caterpillar )

Posibilitatile multiple de lucru cu acest tip de utilaj terasier constau in: - nivelarea si formarea patului drumurilor; - nivelarea taluzelor din ramblee si deblee; - executarea de umpluturi inalte pana la 1m si a sapaturilor adanci pana la 0.7 m; - nivelarea taluzurilor la canale si diguri; - nivelarea platformelor in vederea combaterii eroziunii solurilor; - scarificarea unor pamanturi tari in vederea amenajarii lor; - profilarea si nivelarea coronamentului drumurilor agricole si a digurilor.

4.2. Caracteristici constructive

Principalele parti componente ale unui autogreder (fig. 4.2) sunt: cadrul principal, cadrul de tractiune, echipamentul de greder, cabina si, optional, echipamentul de scarificator atasat la partea posterioara a masinii de baza.

Fig. 4.2 Alcatuirea si parametrii constructivi ai autogrederului

Sasiul reprezinta structura metalica de rezistenta pe care se monteaza motorul termic, puntea fata si spate, cadrul principal si de tractiune. Prinderea cadrului principal se face printr-o articulatie pe puntea fata si prin rezemare rigida pe puntea din spate. Principalele elemente componente ale echipamentului de lucru sunt date in fig. 4.3.

Fig. 4.3 Alcatuirea echipamentului de lucru al autogrederului 1-lama; 2-cerc de rotire; 3-consola; 4-placa de reglare a unghiului de sapare; 5,6-articulatii.

Actionarea lamei grederului pe directie orizontala si verticala se realizeaza cu ajutorul cilindrilor hidraulici ca in figura 4.4.

Fig. 4.4 Schema de actionare a echipamentului de lucru 1,2,6,11-cilindri hidraulic; 3,4,8-articulatii; 5-cadrul principal; 7-cadrul de tractiune;

9-cadru; 10-lama.

Principalii parametri constructivi ai autogrederului (fig. 4.2) sunt: - parametrii de gabarit (dimensiuni si masa totala); - ecartamentul rotilor din fata/spate; - ampatamentul fata-spate (distanta D) si cel al pneurilor din spate (distanta G); - inaltimea maxima a lamei deasupra bazei de sprijin; - garda la sol (distanta E). Autogrederele se clasifica functie de masa si de puterea motorului de actionare in mai

multe clase ca in tabelul 4.1 Tabelul 4.1

Clasificarea autogrederelor Nr. crt. Tipul masinii Masa masinii, in kg Puterea motorului, in CP

1. Usor 7000-9000 63 2. Mediu 9000-12000 63-100 3. Greu 12000-18000 100-200 4. Foarte greu >18000 >200

Constructiv, autogrederele pot avea doua sau trei punti. Modalitatea de simbolizare a acestui lucru este sub forma:

AxBxC unde: A reprezinta numarul puntilor de directie; B - numarul puntilor motoare; C - numarul total al puntior. Exemple de notare: 1x1x2, 2x2x2, 1x2x3, 1x3x3, 3x3x3.

Prin cresterea numarului de punti de directie se obtine o mai buna manevrabilitate a utilajului si implicit realizarea virajelor cu raze mult mai mici. In schimb, cresterea numarului de punti motoare duce la realizarea unei forte de tractiune marita la rotile masinii.

Prin cresterea numarului de punti de directie se obtine o mai buna manevrabilitate a utilajului si implicit realizarea virajelor cu raze mult mai mici. In schimb, cresterea numarului de punti motoare duce la realizarea unei forte de tractiune marita la rotile masinii.

Gradul de manevrabilitate al acestor utilaje se poate observa in figura 4.5.

Fig. 4.5 Manevrabilitatea autogrederelor

4.3. Sistemul de tractiune si deplasare

Sistemul de tractiune al autogrederului trebuie sa fie capabil sa dezvolte viteze de deplasare cuprinse intre 3-15 km/h (in frontul de lucru) si 25-45 km/h (intre punctele de lucru). Cele mai recente utilaje de acest tip au sistemul de tractiune si de deplasare in totalitate hidrostatic, conform schemei constructive din figura 4.6.

Fig. 4.6 Schema sistemului de tractiune si de deplasare la autogrederele moderne: 1. motor termic; 2. ambreiaj; 3.pompa hidrostatica; 4. roata cu motor hidrostatic inglobat.

Pentru calculul puterii necesara motorului de actionare a autogrederului se impune conditia ca masina sa fie capabila sa se deplaseze in procesul de sapare-transport iar in acelasi timp sa poata realiza si manevrarea lamei in frontul de lucru. Astfel, se scrie:

( )[ ]e

emaxst

tm

PvRsincosfG

3601P

+++= , (4.1)

unde Pm reprezinta puterea motorului, kW; Rst rezistenta intampinata de lama in procesul de sapare (se calculeaza ca la buldozer), daN; G greutatea de exploatare a utilajului, daN; f coeficient global de rezistenta la inaintare pentru roti cu pneuri; - unghiul de inclinare al terenului; vmax viteza maxima in frontul de lucru, km/h; Pe puterea pentru actionarea echipamentului de lucru, kW; t - randamentul total al lantului cinematic al transmisiei de la motorul de actionare la rotile motoare ; e - randamentul total al transmisiei de la motorul termic la organele de executie ale echipamentului de lucru. In vederea asigurarii deplasarii optime a utilajului in conditiile grele din frontul de lucru, forta de tractiune trebuie sa indeplineasca simulan doua conditii (de tractiune si de aderenta):

)cossinf(GRF stt ++> , (4.2)

ZF adt < , (4.3)

in care Ft este forta totala de tractiune la rotile motoare ale utilajului, daN; Z reactiunea totala normala la calea de rulare corespunzatoare rotilor motoare, daN; ad - coeficient global de aderenta teren-pneu.

4.4. Calculul mecanismului de manevrare a lamei de greder

Pentru determinarea eforturilor din cilindrii hidraulici de actionare a lamei de greder se vor considera doua situatii solicitante de lucru:

a) infigerea lamei in teren Se disting doua cazuri: Cazul 1: reactiunea terenului ( IzR ) actioneaza in axa mediana a lamei grederului, iar sub

actiunea fortelor de infigere dezvoltate de cilindrii hidraulici intregul utilaj ajunge la limita de stabilitate fata de puntea fata.

Fig. 4.7

Astfel, din conditia = 0M 2A1A , rezulta:

R

GIZ

x

xGR = . (4.4)

Scriind ecuatia de momente a fortelor fata de axa oy rezulta:

R01CReGDI

aoyxx2

xxGxGxF0M == (4.5)

Cazul 2: reactiunea terenului ( IIzR ) actioneaza in extremitatea lamei, iar pentru infigerea acesteia se actioneaza cu forta maxima dezvoltata de un singur cilindru hidraulic (cel de pe partea reactiunii).

In acest caz de lucru, in functie de pozitia unde actioneaza reactiunea terenului, utilajul ajunge la limita de stabilitate cu puntea A1-A3 si respectiv A1-A2. Valoarea reactiunii IIzR se determina astfel:

IIR

IIGII

Zr

rGR = , (4.6)

unde IIGr si IIRr sunt distantele de la punctele de aplicatie ale fortelor G si respectiv IIzR la axa A1-A2. Astfel, avem:

== II

IIGe

IIZ

IIZII

a1OBr

rGrRF0M (4.7)

b) ridicarea lamei din teren

Fig. 4.8

Se studiaza doua cazuri: Cazul 1: reactiunea terenului (Rx, Rz) actioneaza in mijlocul lamei de greder. Scriind conditia de echilibru a fortelor 0Moy = in ipoteza F1=F2= IrF rezulta:

01DxDZCeI

rx2

ZRxRxGF += . (4.8)

Cazul 2: reactiunea terenului actioneaza in extremitatea lamei grederului. Analog, se determina '2IIr FF = din conditia 0M 1OB = . In final, cilindrul hidraulic de manevrare a lamei grederului se va dimensiona la valoarea maxima dintre ( IIrIr F,F ).

4.5. Calculul mecanismului de inclinare a rotilor nemotoare

Pentru cresterea stabilitatii deplasarii utilajului in terenuri cu inclinare transversala, acesta este dotat cu un sistem de inclinare a rotilor nemotoare compus dintr-un patrulater deformabil (PQRS) actionat cu un cilindru hidraulic (fig.4.9).

Fig. 4.9

Determinarea fortei maxime F din cilindru se determina din conditia ca sistemul patrulater sa poata fi adus din starea deformata QPRS in starea initiala QPRS. De aceea, cilindrul hidraulic trebuie sa dezvolte o forta care sa poata ridica partea anterioara a utilajului si sa deplaseze prin alunecare una din roti. Avem, astfel:

dFzGlFLLL adcAadFAGF +=+= (4.9)

Se cunoaste ca: A21 G5.0ZZ == (4.10)

si 2adad ZF = , (4.11)

iar dupa inlocuire in relatia (4.9) se obtine:

( )dz2l2

GF adcA += , (4.12)

in care GA este greutatea care se repartizeaza rotilor din fata, daN; 12 lll = - cursa pistonului cilindrului hidraulic la o manevra, m; zc cota punctului de aplicatie C a greutatii GA, m;

ad - coeficientul de aderenta pneu-teren; d alunecarea laterala a rotii, m. In functie de profilul final al terenului, lama autogrederului poate fi orientata in pozitii

diverse ca in figura 4.10.

Fig. 4.10 Posibile pozitii ale lamei pentru obtinerea diferitelor profile ale terasamentului

4.6. Calculul structurii de rezistenta a autogrederului

Pentru calculul structurii de rezistenta a constructiei metalice a autogrederului se vor considera doua ipoteze defavorabile de lucru:

Ipoteza 1: in timpul lucrului spre sfarsitul procesului de sapare, datorita apasarii verticale a lamei, utilajul ajunge la limita de aderenta a rotilor motoare din spate, iar cele nemotoare din fata se desprind de teren (fig. 4.11).

Fig. 4.11

In continuare, calculele se vor face pentru constructia metalica a unui autogreder de tipul 1x2x3 iar terenul se considera a fi inclinat cu unghiul . Se fac urmatoarele notatii: G greutatea totala a masinii; X1, X2 fortele de tractiune la rotile motoare ale puntii din mijloc; Z1, Z2 reactiunile normale la calea de rulare corespunzatoare perechilor de roti din partea stanga/dreapta a puntilor din spate; Y1, Y2 - reactiunile tangentiale la calea de rulare corespunzatoare perechilor de roti din partea stanga/dreapta a puntilor din spate; Y3 reactiunea laterala datorita apasarii peretelui santului asupra rotii din fata; Rx, Ry, Rz reactiunile terenului asupra extremitatii lamei grederului; Fi forta dinamica care apare in intervalul de timp necesar efectuarii saparii (in care apar acceleratii negative). Determinarea eforturilor necunoscute (X1, X2, Y1, Y2, Y3, Z1, Z2, Rx, Ry, Rz) rezulta din scrierea ecuatiilor de echilibru pentru intreaga masina, astfel:

0M;0M;0M0Z;0Y;0X

z'oy'ox'o===

===

(4.13)

in care se tine cont de relatiile:

sin)ZZ(5.0YY;ZX;ZX 21212ad21ad1 +==== , (4.14)

iar dupa inlocuiri rezulta:

=++

=+

=+

=++

=++

=++

0l)YY(sin)l'l(GbF5.0bX)ll(Y0hFRlcosGl

0bZcosGb5.0sinGh0RcosGZZ

0RsinGYYY0FRXX

'

212i2'

3

i'

2

2

z21

y321

ix21

(4.15)

Forta de inertie se determina cu relatia:

maxtdi F)1k(F = (4.16)

unde kd este coeficient dinamic care are valori intre 1,5...2.

Ipoteza 2: in timp ce autogrederul efectueaza operatia de nivelare-deplasare a pamantului, in mod accidental, lama intalneste un obstacol foarte rigid. Pentru trecerea peste obstacol, lama este apasata vertical pana la patinarea totala a rotilor motoare si a ridicarii rotilor puntii anterioare de pe teren. In mod identic, eforturile necunoscute se determina cu ajutorul relatiilor (4.13).

4.6. Productivitatea autogrederelor

In cazul autogrederelor, prin productivitate se intelege volumul de pamant rezultat din procesul de sapare, deplasare si nivelare (finisare) realizat in unitatea de timp.

Productivitatea teoretica Q0 reprezinta volumul de pamant, pe unitatea de timp, functie de vitezele teoretice de lucru ale utilajului. Aceasta caracteristica tehnologica permite compararea a doua sau mai multe autogredere din aceeasi clasa functionala.

( )]h/m[

nnnt2v

n

v

n

v

Ln2AL1000Q 3

ndsin

n

dd

s

s0

+++

++

= , (4.17)

unde L este lungimea sectorului de lucru, km; A aria sectiunii transversale a pamantului sapat, m2; ns, nd, nn numarul de treceri pentru realizarea operatiilor de sapare, deplasare, nivelare; vs, vd, vn vitezele de lucru corespunzatoare realizarii fiecarei operatii tehnologice, km/h; ti timpul pentru intoarcere la capatul sectorului de lucru, ore. Numarul de treceri pentru fiecare operatie tehnologica este recomadat a fi:

- pentru sapare: ns=1.7; - pentru deplasare: nd=1,15...1,25; - pentru nivelare: nn=nd. Productivitatea tehnica QT reprezinta volumul de pamant sapat, deplasat si nivelat intr-o

anumita perioada de timp (un schimb) in conditii standard de organizare a exploatarii in frontul de lucru.

oss0T t/tQQ = [m3/h], (4.18)

unde ts reprezinta timpul efectiv lucrat intr-un schimb, ore; tos timpul etalon al unui schimb de lucru, ore.

Productivitatea de exploatare Qe reprezinta volumul de pamant sapat, deplasat si nivelat intr-o anumita perioada de timp (o luna, un an) in conditii reale de exploatare, tinand cont de perioadele de stagnare pentru pregatirea utilajului, deservire tehnica, tehnologica, intretineri, reparatii etc. Astfel, avem:

te0e t/tQQ = [m3/h], (4.19)

unde te reprezinta timpul efectiv lucrat intr-o perioada etalon (o luna, un an), ore; tt timpul total al perioadei etalon, ore.

Estimarea timpului total de lucru cu autogrederul se face cu relatia:

ev

ndT = (4.20)

unde n este numarul de treceri; d distanta de lucru la fiecare trecere; e factorul de eficienta al masinii; v - viteza de deplasare.

Daca operatorul deservent lucreaza 50 de minute dintr-o ora atunci factorul de eficienta se considera egal cu 0.83.

Numarul de treceri pentru realizarea profilului terasamentului cu ajutorul autogrederului este dat in tabelul 4.2.

Tabelul 4.2 Tipul operatiei Numarul necesar

de treceri Viteza de deplasare

sant 6 I-a taluzare 9 II-a

profil in trepte 4 III-a

Studiu de caz Sa se determine timpul de lucru al autogrederului pentru realizarea unui profil in trepte

daca utilajul cu care se lucreaza este CAT 120H, cu urmatoarele caracteristici: I-a2.3 km/h; II-a3.1 km/h; III-a4.5 km/h.