Метаморфозы бульдозерного отвала

Главная деталь бульдозера – это отвал. Не двигатель, не гусеничная тележка и  не трансмиссия, хотя только после появления гусеничной ходовой тележки с поворотом путем изменения тяги на гусеницах, а также двигателя, способного дать на эти гусеницы достаточно тяги, и трансмиссии, способной эту тягу передать, не разрушаясь при этом, мог появиться такой вид техники, как бульдозер.

Немного истории

Как и с некоторыми другими видами строительной техники, до конца не ясно, кто первым создал бульдозер в его современном виде. Неизвестно даже точное время его появления на свет. Сама концепция бульдозера, как щита на толкающих брусьях, в которые впрягали парнокопытные движители, появилась тысячу лет назад, а может, и раньше, но техническую реализацию эта концепция могла получить только в XX веке.

В создании бульдозера отдельные историки отдают лавры первенства Бенджамину Холту, который изобрел бесконечную гусеничную ленту в конце 1904 г. и на базе этого изобретения строил гусеничные тягачи сперва паровые, потом с бензиновым двигателем собственной разработки. Поворот тягача Холта с помощью вынесенного вперед управляемого колеса (катка) плюс цепная силовая передача не годились для бульдозера, поэтому мы вычеркнем Холта из списка претендентов на лавровый венок.

Примерно в то же время английская компания Hornsby переделала свой колесный трактор в гусеничный, используя патент на изобретение, выданный главному инженеру компании. У трактора Hornsby поворот был как раз реализован путем затормаживания одной из гусениц. Но и это техническое решение не ведет к автоматическому появлению бульдозера из-за цепной силовой передачи. Кстати, в 1913–1914 гг. компания Hornsby продала свои патенты Бенджамину Холту.

В своем современном виде бульдозер появился в 20-е годы прошлого столетия. К этому времени уже были достаточно мощные карбюраторные двигатели, работающие на бензине или лигроине, агрегаты трансмиссии с зубчатыми передачами, способные передавать достаточный крутящий момент. В число первых бульдозеров вошел трактор Caterpillar-60, или Sixty, с 4-цилиндровым бензиновым двигателем, открытым сцеплением и трехступенчатой коробкой передач. Известно, что бульдозерный отвал с канатным управлением на Caterpillar Sixty навесили в период с 1925 по 1931 гг. Не совсем понятно, почему этого не случилось раньше, ведь Caterpillar Sixty происходит от Model 60 производства C. L. Best Tractor Company, которая была представлена еще в 1919 г. Изначально Model 60 с 4-цилиндровым бензиновым двигателем и двухскоростной КП развивала тяговое усилие в 5 т, чего хватало для прицепного грейдера и вполне могло хватить для бульдозера. В 1925 г. Caterpillar слилась с C. L. Best Tractor Company, и трактор Model 60 стал Caterpillar Sixty. Для справки: всего тракторов Model 60/ Caterpillar Sixty выпустили 18 948 единиц с 1919 по 1931 гг.

В 1923 г. Харьковский тракторный завод начал выпуск гусеничного трактора «Коммунар» с двигателем мощностью 50 л.с., работавшим на керосине, и трехскоростной коробкой передач. В качестве навесных орудий использовали отвал, опускающийся под собственной тяжестью и поднимавшийся вручную лебедкой. В качестве прототипа «Коммунара» послужил немецкий трактор Hanomag WD Z 50. До 1931 г. трактор выпускали в трех вариантах: с двигателем на керосине мощностью 50 л.с. (Г-50) и на бензине мощностью 75 л.с. (Г-75) и 90 л.с. (З-90).

Для трактора «Сталинец-60» (С-60) Челябинского тракторного завода первоисточником послужил Caterpillar Sixty. Модель С-60 с карбюраторным двигателем, работавшим на лигроине, трехступенчатой коробкой передач, бортовыми фрикционами выпускали с 1933 по 1937 гг. В 1937 г. производство С-60 прекратили, и на смену ему пришел трактор «Сталинец-65» (С-65) с дизельным двигателем М-17 мощностью 65 л.с. советской разработки. При разработке М-17 старались внести как можно меньше переделок в конструкцию самого трактора, и С-60 и С-65 идентичны по размерам, также на этих тракторах использовали одну и ту же бульдозерную навеску. А навеска замечательна во многих отношениях.

Во-первых, навеска с поворотным отвалом. Установленный на центральной цапфе отвал вручную поворачивался вправо и влево на 60° и фиксировался в таком положении.

Во-вторых, отвал навешен на универсальную раму сложной подковообразной формы. Под толкающими брусьями были установлены лыжи для скольжения по грунту для снижения сопротивления.

В-третьих, навеска с гидравлическим управлением. Напомню, что это 30-е годы прошлого века. Шестеренный насос приводился от вала отбора мощности, выведенного назад. С помощью кранового распределителя машинист управлял работой двух гидроцилиндров, опускавших и поднимавших отвал. Были предусмотрены манометр и предохранительный клапан на напорной линии. Гидробак установили за сиденьем машиниста.

В состав бульдозерной навески входили тяги, которые, вероятно, использовали для фиксации отвала в транспортном положении – гидропривод того времени не гарантировал, что отвал не опустится под собственной тяжестью. Сзади на трактор устанавливали буксировочную серьгу, и бульдозер мог выдвигаться к месту работ, таща за собой волокушу с вагончиком и бригадой внутри.

За период с 1937 по 1941 гг. Челябинский тракторный завод выпустил 37 626 тракторов С-65. Это первый массовый трактор в мире. Часть этих тракторов получила такие бульдозерные навески, как описанная выше гидравлическая, а также с механическим канатным управлением.

Производство бульдозеров получило подъем с появлением тракторов С-80 (1946–1961 гг. выпуска), С-100 (1956–1964 гг. выпуска) Челябинского тракторного завода и Т-140 (1958–1965 гг. выпуска) Брянского автомобильного завода. Так, в 1947 г. было выпущено 473 бульдозера против 118 в 1940 г. Большинство бульдозеров были с канатным управлением. Это простое, достаточно надежное, почти необслуживаемое, а главное, самое бюджетное техническое решение. Но свои задачи эти бульдозеры выполняли, причем с большим успехом – уровень механизации на крупных стройках достиг 98%. Наиболее распространенными бульдозерами с канатным управлением стали бульдозеры марок Д-271 на тракторе С-80 или С-100 и Д-275 на тракторе Т-140.

Рабочее оборудование бульдозера с канатным управлением представляет собой прямой неповоротный отвал на толкающих брусьях, который опускался под собственной тяжестью, а поднимался с помощью канатного полиспаста. Лебедка устанавливалась на плите заднего моста и приводилась от вала отбора мощности через кулачковую муфту. Канат с барабана лебедки проходил по трубе с направляющими блоками над кабиной на неподвижную на раме трактора и подвижную на отвале блочные обоймы, образуя шестикратный полиспаст. Отвал заглублялся в грунт как под собственной тяжестью, так и за счет переноса тяжести машины на отвал через толкающие брусья, когда бульдозер, выражаясь фигурально, вставал на дыбы. Регулировать заглубление можно только приподнимая отвал. Выбрав постоянную длину каната, можно было вести планировочные работы. Таким образом, работа на бульдозере требовала отточенного навыка и глазомера.

Из-за ограниченных возможностей и громоздкости канатное управление сдало позиции гидравлике. И если канатное управление использовали только на легких бульдозерах, то гидравлический привод универсален. Все же надо признать, что механический канатно-блочный привод работает так же хорошо и в сильный мороз в отличие от гидравлики, особенно от гидравлики середины XX века. Последнюю модель бульдозера ДЗ-53 с канатным управлением на базе трактора Т-100 в 1964 г. сменил ДЗ-54 с гидравлическим управлением на той же базовой машине. Бульдозеры с канатным управлением оставались в эксплуатации где-то до середины 80-х, сегодня рабочие экземпляры встречаются разве что в музеях и коллекциях энтузиастов.

 

От прямого отвала – к разным

С утверждением господства гидравлического привода развитие бульдозерного отвала пошло по пути специализации. От прямого отвала, простого, быстрого и дешевого в изготовлении и наименее эффективного в массовых земляных работах, отпочковались сферический и полусферический отвалы. Прямой отвал в своем изначальном виде – ровная, плоская плита, встречается редко, сегодня это довольно специфический инструмент. Уже довольно давно прямой отвал стал представлять собой конструкцию с изогнутым в вертикальной и прямым в горизонтальной плоскости лобовым листом, более похожим на укороченный грейдерный нож, тем более, что прямой отвал – основной инструмент для легких бульдозеров с универсальной рамой. Универсальная рама с центральным шарниром и гидроцилиндрами, поворачивающими отвал в трех плоскостях, позволяет зарезать и перемещать грунт, как обычный бульдозер, а также планировать поверхности и засыпать траншеи, как грейдер, выставив отвал под углом. Поэтому у прямого поворотного отвала нет боковых щитков.

Прямой отвал с боковыми щитками, препятствующими потере материала, используют на средних и тяжелых бульдозерах для разработки твердых и мерзлых грунтов. Это неповоротные отвалы на мощных толкающих брусьях с механизмом перекоса для зарезания твердого грунта угловым ножом. Регулируемый угол продольного наклона обеспечивает регулируемое заглубление отвала в грунт.

Сферический отвал характерен значительной кривизной поверхности как по горизонтали, так и по вертикали, позволяющей эффективно перемещать сыпучий или разрыхленный материал на значительные расстояния. Сферическая форма отвала обеспечивает минимальные потери материала. Отвал состоит из лобового листа и боковых, почти такого же размера, установленных под углом до 25° к лобовому.

Полусферический отвал представляет собой среднее между прямым и сферическим, поэтому считается универсальным и стандартным для средних и тяжелых бульдозеров.

Сферические и полусферические отвалы используют с толкающими брусьями или жесткой рамой. Гидравликой и/ или механикой регулируется угол зарезания, с помощью этого же механизма выполняется перекос отвала.

Толкающие брусья могут размещаться снаружи гусениц или между гусеницами и рамой трактора. Внешнее исполнение представляет собой универсальное решение, то есть любой гусеничный трактор можно переделать в бульдозер. Яркий пример – самый массовый советский гусеничный трактор ДТ-75 Волгоградского тракторного завода и самый массовый бульдозер ДЗ-42 на его базе.

Внутреннее исполнение толкающего бруса – между гусеницей и рамой – подразумевает, что машину изначально проектировали именно как бульдозер. В кругах теоретиков одно время даже велась дискуссия, какой бульдозер более настоящий – с внешним или внутренним исполнением толкающего бруса. Дискуссия поутихла сама собой, поскольку внутреннее исполнение используется на легких моделях и частично на средних бульдозерах, а основная масса средних и все тяжелые бульдозеры, или, как их еще называют, промышленные тракторы, с внешним исполнением. Да и до дискуссий ли сейчас...

Основной способ установки отвала – это непосредственно к толкающим брусьям и к гидроцилиндру/ раскосу регулировки угла зарезания/ перекоса, то есть у этих отвалов 4 точки крепления. Конструкции с подковообразными рамами с пятью точками крепления встречаются нечасто. Они дают возможность поворачивать отвал вправо-влево, но при этом снижается жесткость конструкции. Такого рода решения более интересны для легких и отчасти средних бульдозеров, особенно если их оснастить системой нивелирования.

Машиностроение создало много специальных отвалов: угольный, для древесной щепы, для твердых бытовых отходов, для торфа, совковые, отвалы-корчеватели, отвалы-рыхлители и т. д., предназначенные для решения узкой, специфической задачи.

Работа по разработке новых и совершенствованию прежних форм отвала продолжается и сегодня. Так, корпорация Komatsu с 2005 г. продвигает инновационый отвал Sigmadozer, который представляет собой радикальную модернизацию полусферического отвала. Если смотреть на него сверху, то лобовой лист выдвинут вперед, а с боков образованы V-образные каналы. Поднимаясь по этим каналам, грунтовая стружка закручивается вперед и к центру. Благодаря этому больше грунта скапливается непосредственно перед лобовым листом и меньше теряется за пределами отвала. Плюс к этому уменьшается сопротивление, и, таким образом, бульдозер перемещает до 15% больше грунта при меньших энергетических затратах по сравнению с обычным полусферическим отвалом. При этом отвал сложнее в производстве, так как состоит из большего числа деталей, и в обслуживании, так как требуется менять больше износных элементов.

По такому пути изменений в конструкции, дающих небольшой прирост производительности в определенных условиях, и будет двигаться машиностроение, поскольку отрасль уже практически достигла потолка в строительстве бульдозеров.