Proč existují kolové dozery – Výhoda rychlosti oproti pásovým dozerům
Většina buldozerů používá pásy. Kolové buldozery (buldozery na pneumatikách) však dominují třem specifickým aplikacím: správa uhelných hald, hutnění skládek a rozsáhlé zemní práce, kde je rychlost pojezdu mezi pracovními oblastmi důležitější než maximální shrnovací síla. Kolový buldozer se mezi pracovními polohami pohybuje rychlostí 15 až 35 km/h – 3 až 5krát rychleji než pásový buldozer – což ho činí mnohem produktivnějším na staveništích, kde shrnovací vzdálenost přesahuje 100 až 200 metrů.
Ten/Ta/To planetová převodovka pohonu kol Kolový buldozer musí zvládat rozsah rychlostí, se kterým se žádný pásový stroj nesetkává: od rychlosti buldozeru 2 až 5 km/h (maximální tah radlice, minimální otáčky kol) do přepravní rychlosti 35 km/h (minimální tah, maximální otáčky kol) – převodový poměr 7:1 až 17:1 prostřednictvím jednoho hydrostatického nebo řazeného hnacího ústrojí. Režim buldozeru vyžaduje maximální točivý moment při minimální rychlosti; režim přepravy vyžaduje minimální točivý moment při maximální rychlosti. Převodovka musí mezi těmito extrémy přecházet plynule a rychle – protože buldozer během práce na hromadě střídá buldozer s přemisťováním každých 30 až 90 sekund.
Pracovní cyklus buldozeru je mezi kolovými stroji jedinečný. V typickém 60sekundovém cyklu stráví buldozer 30 až 45 sekund tlačením materiálu rychlostí 2 až 5 km/h (maximální točivý moment, jízda vpřed), poté 10 až 15 sekund couváním rychlostí 5 až 10 km/h (střední točivý moment, jízda vzad) a 5 až 10 sekund přemisťováním rychlostí 10 až 20 km/h (nízký točivý moment, jízda vpřed). Toto rychlé cyklování vpřed-vzad-vpřed způsobí 40 až 60 změn směru za hodinu – každá z nich vyvolá rázový efekt na zuby a ložiska převodovky, který vytváří rázový efekt pro obrácení točivého momentu. Během 4 000 hodin ročního provozu dosáhne celkový počet změn směru 160 000 až 240 000 za rok – což je únavové zatížení, které je 10 až 100krát vyšší než u jakéhokoli pohonu kol harvestorů nebo stavebních strojů a co do celkového počtu cyklů je druhé nejvýše po cyklování start-stop zavlažovací věže (WD-08).
Změna točivého momentu při každé změně směru není postupná – obsluha přepne z plného tahu vpřed na plný tah vzad během 1 až 2 sekund pomocí systému řazení pod zatížením nebo hydrostatického systému. planetová převodovka pohonu kol musí absorbovat toto obrácení otáčení bez nárazu mezi ozubeným kolem a zubem. Pokud má záběr ozubeného kola vůli 0,05 až 0,10 mm (běžná výrobní tolerance), každá změna směru vyvolá krátkodobý náraz z nezatíženého na zatížený stav na povrchu zubu – generující špičku napětí 1,5 až 2,5násobek ustáleného zatížení zubu. Při více než 200 000 obráceních otáček ročně může tato únava z nárazu vyvolat praskliny v kořeni zubu u standardních průmyslových převodů během 3 000 až 5 000 hodin. Ozubená kola určená pro provoz kolových buldozerů musí být navržena pro případ únavy z obrácení otáčení – nejen pro případ ustáleného krouticího momentu při buldozeru.
| Třída | Hmotnost (t) | Výkon (HP) | Výpad čepele | Tranzit |
|---|---|---|---|---|
| Střední (20–30 t) | 20–30 | 200–350 | 150–250 kN | 25–30 km/h |
| Velká (35–55 t) | 35–55 | 350–550 | 250–400 kN | 30–35 km/h |
| Těžba (55–75 t) | 55–75 | 550–850 | 350–550 kN | 25–35 km/h |
Trakční limit kolového dozeru je určen hmotností stroje a koeficientem tření pneumatiky o zem. Na suchém, zhutněném materiálu (povrch haldy uhlí, krytina skládky) je koeficient 0,5 až 0,7 – což znamená, že 50tunový dozer může vyvinout trakci 245 až 343 kN. Na mokrém nebo sypkém materiálu se koeficient snižuje na 0,3 až 0,5 – čímž se dostupná trakce snižuje o 30 až 501 kN. Pohon kol nesmí dodávat točivý moment přesahující trakční limit, protože protáčející se pneumatika na povrchu haldy uhlí nebo skládky ničí povrchovou vrstvu a vytváří vyjeté koleje, které brání následným přejezdům.
Uzávěrka diferenciálu (nebo samosvorný diferenciál) je u kolových buldozerů nezbytná. Během šikmého buldozeru (tlačení materiálu pod úhlem 20 až 45 stupňů ke směru jízdy) tlačí reakční síla radlice stroj do strany – odlehčuje vnitřní kola a přetěžuje vnější kola. Bez uzávěrky diferenciálu se vnitřní kola (se sníženým zatížením, a tedy i sníženou trakcí) volně protáčejí – plýtvají hnací silou a umožňují stroji klouzat do strany, místo aby se tlačil dopředu. S uzamčeným diferenciálem je točivý moment rovnoměrně rozložen na všechna kola bez ohledu na rozložení zatížení – a tah vpřed se tak udržuje i při šikmém buldozeru. Pohon kol musí zajišťovat plynulé zapínání a vypínání uzávěrky diferenciálu – náhlé zapnutí uzávěrky pod zatížením způsobí prudký nárůst točivého momentu na dříve prokluzujícím kole, který může zlomit poloos nebo poškodit výstupní ložisko pohonu kola, pokud hnací ústrojí není navrženo pro náraz.
Aplikační prostředí – uhlí, skládky a nadloží v dolech
Správa hald uhlí je nejběžnější aplikací kolových buldozerů. Buldozer tlačí čerstvě dodané uhlí do haldy, tvaruje haldu pro odvodnění a odebírá uhlí z haldy pro nakládku na dopravník. Teplota povrchu uhlí může u velkých hald dosáhnout 50 až 80 stupňů Celsia v důsledku samoohřívání (oxidace) – a pneumatiky buldozeru a pohony kol pracují na tomto horkém povrchu 8 až 16 hodin denně. Uhelný prach je jemný (10 až 100 mikronů), mírně abrazivní (Mohs 1 až 2) a proniká do každého těsnění a spoje skříně. Kombinace tepla a uhelného prachu urychluje opotřebení těsnění 2 až 3krát rychleji než při standardním provozu na staveništi. Haldy uhlí navíc představují riziko požáru v důsledku samovznícení – a kolový buldozer pracující na hořící nebo doutnající části haldy může vystavit pohon kol povrchovým teplotám přesahujícím 100 stupňů Celsia, přičemž lokální horká místa dosahují 200 stupňů Celsia nebo více. Guma pneumatiky měkne a degraduje při teplotách nad 80 °C – a těsnění pohonu kol, a to i u modelů s certifikací FKM, jsou namáhána vedeným teplem z pneumatiky přes ráfek do náboje a výstupního ložiska. Tepelné sledování teploty skříně pohonu kol je bezpečnostním požadavkem u buldozerů na hromadění uhlí – protože dlouhodobé přehřátí může způsobit selhání pneumatiky (prasknutí v důsledku nárůstu vnitřního tlaku) a také poškození převodovky.
Hutnění skládek je nejnáročnější aplikací. Buldozer přejíždí přes a skrz komunální odpad obsahující ocelové výztuže, sklo, dráty, hřebíky, zdravotnický odpad, nádoby na chemikálie a veškerý další materiál, který moderní společnost likviduje. Těsnění pneumatik a pohonů kol jsou neustále napadána ostrými předměty, které je propichují, řežou a odírají. Odpadní materiál je také chemicky nepředvídatelný – výluh (kapalina, která odtéká z rozkládajícího se odpadu) má pH v rozmezí od 4 do 9 a obsahuje rozpuštěné kovy, organické kyseliny a biologické kontaminanty, které napadají standardní těsnění a materiály krytů.
Manipulace s nadložím v dolech vyžaduje provoz buldozeru v nejabrazivnějších podmínkách. Nadloží (hornina a zemina odstraněné za účelem odkrytí rudného tělesa) obsahuje ostré, hranaté úlomky hornin o velikosti 5 až 300 mm, které buldozer tlačí, přelézá přes ně a projíždí jimi. Těsnění pohonu kol jsou vystavena částicím hornin tvrdším než ocel hřídele – což vede ke stejnému problému s prořezáváním těsnění podle Mohsovy stupnice, jaký je popsán u drtičů kamene (WD-07). Důlní prostředí zahrnuje také prach, saze z nafty a (na některých místech) kyselou nebo alkalickou drenážní vodu, která k fyzickému oděru přidává chemický abrazivní účinek.
Míra využití kolových buldozerů patří k nejvyšším ze všech mobilních zařízení: 3 000 až 5 000 hodin ročně při skládkování uhlí, 2 000 až 4 000 hodin při skládkování a 2 500 až 4 000 hodin v dolech. Tyto míry jsou srovnatelné s sklízeči cukrové třtiny (WD-05) – a mají stejný důsledek: komponenty pohonu kol musí být navrženy na celkovou životnost 8 000 až 12 000 hodin, aby se interval výměny sladil s ročním intervalem odstávky. Převodovka, která vydrží 4 000 hodin u stroje pracujícího 4 000 hodin ročně, vyžaduje během provozní sezóny výměnu – což je neplánovaná prostojová událost, která stojí 5 000 až 15 000 USD ve ztracené produkci plus 3 000 až 10 000 USD za převodovku a práci. Celkové náklady na poddimenzovanou převodovku se proto pohybují v rozmezí 8 000 až 25 000 USD na jednu poruchu – což daleko převyšuje cenovou přirážku za správně dimenzovanou jednotku.
Tři režimy selhání specifické pro pohony kolových buldozerů
Během těžkého buldozeru narazí radlice na zhutněný materiál nebo na nepohyblivou překážku. Obsluha udržuje plný plyn – a pohon kol dodává maximální točivý moment při téměř nulových otáčkách kol (zastavení) po dobu 5 až 30 sekund. Při zastavení generuje pohon kol maximální teplo s nulovým průtokem vzduchu pro chlazení. U 50tunového buldozeru s výkonem pohonu 400 kW se při 30sekundovém zastavení rozptýlí přibližně 12 MJ tepla pohony kol – což zvýší teplotu oleje o 30 až 50 °C. Při práci na skládce uhlí, kde je základní teplota oleje již 80 až 95 °C (od povrchu horkého uhlí), může zastavení zvýšit teplotu na 120 až 145 °C – což překročí tepelný limit minerálního oleje a urychlí degradaci ložisek a převodů. Vícenásobné zastavení za hodinu (běžné při těžkém rytí nebo zhutňování) způsobuje kumulativní tepelné poškození, které nelze zvrátit žádnou výměnou oleje. Znaky tepelného poškození lze detekovat analýzou oleje: zvýšený počet částic železa a mědi naznačuje, že povrchy ložisek a ozubených kol překročily svůj práh popouštění a uvolňují materiál. Program analýzy oleje s 250hodinovými intervaly odběru vzorků dokáže detekovat nástup tepelného poškození 500 až 1 000 hodin před selháním převodovky – což poskytuje čas na naplánování výměny během plánované odstávky, spíše než k neplánované poruše během špičky výroby.
Komunální odpad ze skládek obsahuje ocelové dráty, zbytky betonářské oceli, úlomky skla a ostré plastové střepy, které narážejí do skříně pohonu kol a ovíjejí se kolem výstupní hřídele – podobně jako obal z cukrové třtiny u sklízečů cukru, ale z mnohem tvrdších a ostřejšího materiálu. Ocelový drát omotaný kolem hřídele dokáže proříznout standardní břitové těsnění během jediné 8hodinové směny. Úlomky skla zabudované v odpadu fungují jako řezná směs, když se zachytí mezi břitem těsnění a hřídelí. Chemický výluh (pH 4 až 9, obsahující rozpuštěné kovy a organické kyseliny) napadá jak materiál těsnění, tak povlak skříně. Kombinované fyzikální a chemické působení činí prostředí skládky nejničivějším pro těsnění pohonu kol ze všech aplikací v celé této řadě.
Když kolový dozer přejíždí přes zakopanou skálu, betonový blok nebo ocelový nosník při přepravní rychlosti (15 až 30 km/h), pneumatika přenáší vertikální a podélný ráz na výstupní ložisko pohonu kola a ozubené kolo. Velikost rázu závisí na velikosti objektu, přepravní rychlosti a tuhosti pneumatiky – a může dosáhnout 3 až 8 g na montážní přírubě pohonu kola. Při rychlosti 30 km/h má pohon kola 0,05 až 0,10 sekundy na absorbování rázu – příliš rychle na to, aby hydraulický systém zareagoval, a příliš krátce na to, aby zareagoval operátor. Tyto nárazové události při přepravní rychlosti způsobují Brinellingovo pnutí v ložiskách a špičky napětí v kořeni ozubeného kola, které se hromadí v únavovém poškození 5 až 10krát rychleji než při ustáleném provozu dozeru – což činí jízdu přepravní rychlostí na nerovném povrchu pro pohon kola škodlivějším než samotný provoz dozeru s vysokým točivým momentem. Toto protiintuitivní zjištění (přeprava je škodlivější než dozing) potvrzují data z analýzy selhání ložisek z hlavních flotil dozérů: 55 až 651T selhání výstupních ložisek vykazuje spíše známky únavy způsobené nárazem (Brinelling, podpovrchové praskání) než známky únavy způsobené kontinuálním zatížením (odlupování, mikro-důlky), které by naznačovaly selhání způsobené dozingovým momentem. Důsledek je jasný: udržování hladkých přepravních cest a omezení rychlosti přepravy na neupraveném povrchu prodlužuje životnost ložisek pohonu kol o 40 až 601T – což je údržbářský postup, který nic nestojí, ale přináší významné prodloužení životnosti převodovky.
Často kladené otázky
Společnost Korea Ever-Power dodává pohony kolových dozerů od 15 000 do 80 000 Nm s trvalou tepelnou kapacitou při zastavení, těsněním na úrovni skládkování a odolností proti nárazům při přepravní rychlosti.
Střihač: Cxm
