履帶式推土機設(shè)計

履帶式推土機設(shè)計,履帶式,推土機,設(shè)計 （2010 屆） 本科生畢業(yè)設(shè)計資料 題 目 名 稱 ： 履帶式推土機 學(xué) 院（部）： 機 械 工 程 學(xué) 院 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué) 生 姓 名： 班 級： 機設(shè)064 學(xué)號 指導(dǎo)教師姓名： 職稱 講師 最終評定成績： 湖南工業(yè)大學(xué)教務(wù)處 2010屆 本科生畢業(yè)設(shè)計資料 第一部分 設(shè)計說明書 （2010屆） 本科生畢業(yè)設(shè)計 履帶式推土機的設(shè)計 學(xué) 院（部）： 機 械 工 程 學(xué) 院 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué) 生 姓 名： 周勇 班 級： 機設(shè)064 學(xué)號 06410200213 指導(dǎo)教師姓名： 李睿 職稱 講師 最終評定成績 2010 年 摘 要 推土機在土石方工程中被廣泛應(yīng)用，推土工作裝置是其承受工作載荷的主要部件，并將載荷傳遞至機體，受力情況非常惡劣。在復(fù)雜多變的工作外載荷作用下，分析計算推土工作裝置在不同工況、不同部位危險點的應(yīng)力分布，是設(shè)計推土機工作裝置所必需的。 本文進行了推土機的總體設(shè)計、推土機重心計算、推土機工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計。本次設(shè)計工作裝置采用固定式直傾推土鏟，雙液壓缸提升。根據(jù)任務(wù)書設(shè)計了鏟刀和推土板的主要尺寸，并使用CAD制圖軟件，更直觀的將設(shè)計體現(xiàn)出來。 本設(shè)計選擇了危險工況和計算位置進行了強度校核， 并借助計算機選取危險截面進行了有限元分析，對結(jié)果進行了對比分析。經(jīng)過校核，該結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，滿足使用要求。穩(wěn)定性分析中，是在切土作業(yè)和坡道運行中進行的分析。并根據(jù)受力情況對液壓缸進行設(shè)計，得出相應(yīng)的缸體尺寸。 關(guān)鍵詞：推土機；工作裝置；液壓缸；強度校核；CAD制圖 ABSTRACT Bulldozers, works in the wide application of earth-moving equipment, which working device load to bear the main components, and load transfer to the body, the force is very poor. In the complex and ever-changing work loads, the analysis blade equipment in different conditions. Dangerous point in different parts of the stress distribution is designed bulldozers work necessary for the device. This article was the overall design of bulldozers, bulldozers gravity calculations, bulldozer structure design. This design work of device used fixed straight inclined Dozer, dual hydraulic cylinder elevated. According to the task of spade and book design a blade of main dimensions, and use CAD software, more intuitive design.The design chosen the dangerous working conditions and calculate the position of strength check, and the use of computer selected dangerous cross-section of the finite element analysis, and cooperate the results of the analysis. After checking the rational design of the structure, it’s meet the requirement. Stability analysis, is cutting jobs and ramp runs in the analysis. And according to the force on the hydraulic cylinder design, draw the appropriate dimensions. Key words: bulldozers; working device; hydraulic cylinders; check strength; CAD software 目 錄 第1章 緒論 1 1.1 推土機概述 1 1.1.1 履帶式推土機介紹 1 1.1.2 推土機的應(yīng)用 2 1.1.3 我國推土機產(chǎn)品的發(fā)展前景 2 1.1.4 推土機總體設(shè)計的任務(wù) 3 1.2 課題任務(wù) 3 1.3 課題背景和設(shè)計意義 3 第2章 推土機總體方案設(shè)計 5 2.1 各個機構(gòu)的選擇 5 2.1.1 動力裝置 5 2.1.2 傳動機構(gòu) 5 2.1.3 行走機構(gòu) 6 2.1.4 工作裝置 6 2.1.5 液壓系統(tǒng) 6 2.2 推土機總體參數(shù)選擇 6 2.2.1 推土機重量和接地比壓 6 2.2.2 推土機的行走速度 7 2.2.3 鏟刀的垂直壓力和比壓入力 7 2.2.4 鏟刀的提升高度和切削深度 7 2.2.5 推土機生產(chǎn)率 7 第3章 推土機重心計算 9 4.1 重心位置分析 9 4.2 重心位置的確定 9 第4章 推土機工作裝置設(shè)計 11 4.1 工作裝置結(jié)構(gòu)類型 11 4.2 工作裝置主要參數(shù)及結(jié)構(gòu)尺寸的確定 12 4.2.1 鏟刀的高度和寬度 12 4.2.2 推土板角度參數(shù)的選擇 12 4.2.3 推土板曲率半徑 14 4.2.4 推土板直線部分及擋土板尺寸 15 4.2.5 頂推架于臺車架的鉸點位置 15 4.2.6 鏟刀鋼板厚度 15 4.3 推土機工作裝置的強度計算 15 4.3.1 土壤的切削性能 15 4.3.2 推土機受力分析 16 4.3.3 推土機作業(yè)阻力計算 18 4.4 推土機鏟刀的強度計算 20 4.4.1 計算位置的確定（第一計算位置） 20 4.4.2 超靜定計算 20 4.4.3 斜撐桿強度計算 27 4.5 第三位置計算 28 4.5.1 頂推架的強度計算 28 4.5.2 鉸銷軸強度計算 29 第5章 推土機的穩(wěn)定性計算 31 5.1 推土機切土作業(yè)的穩(wěn)定性 31 5.2 推土機坡道運行的穩(wěn)定性 32 5.2.1 縱向穩(wěn)定性 32 5.2.2 橫向穩(wěn)定性 33 第6章 液壓缸設(shè)計 34 6.1 系統(tǒng)壓力的確定 34 6.2 計算油缸尺寸 34 結(jié)論 37 參考文獻 38 致謝 39 39 第一章 緒 論 1.1 推土機概述 1. 1.1履帶式推土機介紹 （1）.歷史介紹 履帶式推土機是由美國人Benjamin Holt在1904 年研制成功的，它是在履帶式拖拉機前面安裝人力提升的推土裝置而形成，當(dāng)時的動力是蒸汽機，之后又先后研制成功由天然氣動力驅(qū)動和汽油機驅(qū)動的履帶式推土機，推土鏟刀也由人力提升發(fā)展為鋼絲繩提升。隨著技術(shù)的不斷進步，目前推土機動力已經(jīng)全部采用柴油機，推土鏟刀和松土器全部由液壓缸提升。推土機除履帶式推土機外，還有輪胎式推土機，它的出現(xiàn)要比履帶式推土機晚十年左右。我國生產(chǎn)推土機，是新中國成立以后才開始的。 （2）.推土機分類 按行走方式，推土機可分為履帶式和輪胎式兩種。履帶式推土機附著牽引力大，接地比壓小(0.04一0.13MPa)，爬坡能力強，但行駛速度低。輪胎式推土機行駛速度高，機動靈活，作業(yè)循環(huán)時間短，運輸轉(zhuǎn)移方便，但牽引力小，適用于需經(jīng)常變換工地和野外工作的情況。 按用途可分為通用型及專用型兩種。通用型是按標(biāo)準(zhǔn)進行生產(chǎn)的機型，廣泛用于土石方工程中。專用型用于特定的工況下，有采用三角形寬履帶板以降低接地比壓的濕地推土機和沼澤地推土機、水陸兩用推土機、水下推土機、船艙推土機、無人駕駛推土機、高原型和高濕工況下作業(yè)的推土機等。 我國目前生產(chǎn)的主要是通用型推土機、濕地型推土機以及適應(yīng)西部大開發(fā)達高原型推土機。經(jīng)歷了20多年的穩(wěn)步發(fā)展，目前我國推土機行業(yè)已形成從59kW(80馬力，山推的SD08推土機，在5.12汶川地震中，由俄羅斯米-26直升機吊起到施工現(xiàn)場)到309kW(420馬力，為山推近年來開發(fā)的SD42推土機，主要出口到俄羅斯，另據(jù)山推內(nèi)部消息，2009年山推將開發(fā)520馬力的推土機納入科研計劃)規(guī)格齊全的產(chǎn)品系列。而且還出現(xiàn)了根據(jù)不同作業(yè)工況的需要，采用不同配置模塊的變型產(chǎn)品，基本上滿足了國內(nèi)土石方工程對推土機產(chǎn)品的需求。 （3）.結(jié)構(gòu)和原理 履帶式推土機主要由發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、工作裝置、電氣部分、駕駛室和機罩等組成。其中，機械及液壓傳動系統(tǒng)又包括液力變矩器、聯(lián)軸器總成、行星齒輪式動力換擋變速器、中央傳動、轉(zhuǎn)向離合器和轉(zhuǎn)向制動器、終傳動和行走系統(tǒng)等。 動力輸出機構(gòu)以齒輪傳動和花鍵連接的方式帶動工作裝置液壓系統(tǒng)中工作泵、變速變矩液壓系統(tǒng)變速泵、轉(zhuǎn)向制動液壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)向泵；鏈輪代表二級直齒齒輪傳動的終傳動機構(gòu)（包括左和右終傳動總成）；履帶板包括履帶總成、臺車架和懸掛裝置總成在內(nèi)的行走系統(tǒng)。 1.1.2推土機的應(yīng)用 推土機采用機械傳動或帶液力變矩器的液力機械傳動系統(tǒng)，也有少數(shù)采用液壓傳動系統(tǒng)。推土機是填埋場應(yīng)用最為廣泛的機械。 主要功能是將垃圾從卸車地點推到填埋位置，配合壓實機作業(yè)并兼有壓實效果，特別是在雨季由于垃圾含水量大承載能力下降壓實機作業(yè)往往非常困難，就更需要推土機來作業(yè)協(xié)助垃圾壓實。為保證雨季填埋場的作業(yè)可持續(xù)進行推土機的機械性能，必須要考慮所選用的推土機要能夠保證在較濕的垃圾上行走，并進行作業(yè)選擇履帶較寬的濕地型。 推土機是必要的，國內(nèi)現(xiàn)有多家機械制造廠可生產(chǎn)濕地型推土機，所有廠家的技術(shù)資料應(yīng)不難得到下面只以山推工程機械股份有限公司產(chǎn)品為例作一介紹：其中的一些性能特點在選購任何廠家的產(chǎn)品時可參考比較衛(wèi)型推土機，飛輪功率額定轉(zhuǎn)速操作質(zhì)量山推環(huán)衛(wèi)型推土機系列產(chǎn)品是山推工程機械股份有限公司，根據(jù)中國國情和我國城市生活垃圾散碎雜等具體情況，研制開發(fā)的是按照市場需求并經(jīng)多次改進反復(fù)試驗生產(chǎn)的技術(shù)成熟，性能優(yōu)異的經(jīng)濟型推土機。變型機種按適用范圍可分為環(huán)衛(wèi)型推土機環(huán)衛(wèi)型推土機環(huán)衛(wèi)型推土機主要適用于垃圾場的填埋平整壓實堆積等工作也可用于牽引。 1.1.3我國推土機產(chǎn)品的發(fā)展前景 （1）.開發(fā)小型推土機 　　與北美、西歐和日本市場相比，中國小型推土機市場無論是銷量，還是小型推土機與重型推土機銷售總量中所占的比重，都有相當(dāng)大的差距。推土機行業(yè)必須借這次機遇，努力滿足這一新市場的需求。據(jù)有關(guān)雜志介紹，目前小型機市場已進入成長期，2008-2012年前后進入成長期后期和成熟期前期，2020年前后進入成熟期。 所以，推土機行業(yè)的有關(guān)企業(yè)，應(yīng)從戰(zhàn)略角度著眼，決不能忽視小型產(chǎn)品的未來市場。但，在中國這樣的發(fā)展中國家開發(fā)小型工程機械產(chǎn)品，其定位一定要準(zhǔn)。應(yīng)該用不同的技術(shù)、針對不同用戶群來解決定位準(zhǔn)的問題。應(yīng)首先開發(fā)滿足發(fā)達地區(qū)廣大農(nóng)村市場的低端產(chǎn)品。而高端產(chǎn)品更多應(yīng)考慮未來用戶的需求。 （2）.盡快完善和解決適應(yīng)西部高原地區(qū)作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù) 1、采用功率恢復(fù)型的增壓技術(shù)。 2、熱平衡技術(shù)。 　　3、防風(fēng)沙技術(shù)的應(yīng)用。 　　4、自救防護設(shè)備及機具的配置。 　 5、低溫預(yù)熱系統(tǒng)的采用。 　　 6、多自由度推土裝置的開發(fā)應(yīng)用。 1.1.4 推土機總體設(shè)計的任務(wù) 根據(jù)所要設(shè)計的推土機的主要用途、作業(yè)條件、制造情況等全名正確的確定影響整機性能的主要參數(shù)、各總成的型式，并進行合理的布置。 總體設(shè)計包括以下內(nèi)容： （1）根據(jù)設(shè)計任務(wù)，選擇機型及各總成結(jié)構(gòu)型式，確定總體布置方案。 （2）確定整機主要性能參數(shù)。 （3）按總體性能要求，確定各總成主要參數(shù)及相互之間的關(guān)系。 （4）進行必要的總體計算。 （5）繪制整機尺寸鏈圖及總圖。 （6）輔助系統(tǒng)設(shè)計。 總體設(shè)計對整機性能起決定性的作用，因為整機性能的好壞，不僅取決于的各總成本身性能的優(yōu)略，而且更重要的是與他們之間的協(xié)調(diào)有關(guān)。組成整機的各總成之間的聯(lián)系又相互制約。在總體設(shè)計中，如果對整機缺乏總體考慮，那么即使各總成的造型與設(shè)計是好的，是先進的，但組合在一起不一定能取得良好的的效果。因此在總體設(shè)計中，各總成要相互協(xié)調(diào)，不能片面強調(diào)某一局部，必須從整機出發(fā)全面考慮，從而獲得較高的經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)。 1.2 課題任務(wù) 本設(shè)計題目進行推土機鏟斗的設(shè)計，主要工作有：設(shè)計工作裝置的結(jié)構(gòu)形式和尺寸，設(shè)計鏟刀高度、鏟刀寬度、推土板角度參數(shù)、曲率半徑，頂推架與臺車架鉸點位置，然后進行鏟斗的強度計算，最后進行鏟斗的三維設(shè)計。 1.3 課題背景和設(shè)計意義 隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，競爭無處不在，現(xiàn)在對學(xué)生的要求越來越高，不僅對學(xué)生的理論要求提高了，而且對學(xué)生的動手能力的要求也有所提高，而這次的畢業(yè)設(shè)計就是對學(xué)生的理論實踐能力的一次提高。 本次設(shè)計主要完成鏟刀結(jié)構(gòu)設(shè)計，需要查閱很多相關(guān)資料和深入思考問題，這對專業(yè)能力的提升有很大幫助。 在這次的設(shè)計中，應(yīng)用了結(jié)構(gòu)力學(xué)的知識，提高學(xué)生對軟件的應(yīng)用能力。 第二章 推土機總體方案設(shè)計 2.1各個機構(gòu)的選擇 推土機總體結(jié)構(gòu)包括動力裝置、傳動機構(gòu)、行走機構(gòu)、工作裝置、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和駕駛室等。 2.1.1 動力裝置 推土機的工作特點是在戶外連續(xù)作業(yè)，且阻力時常變化，宜選取 12 小時功率作為發(fā)動機裝車的標(biāo)定功率，轉(zhuǎn)速在1800～2000r/min之間，功率為120kw，速度適應(yīng)系數(shù)應(yīng)在 1.35～1.55 的范圍內(nèi)。 選用斯太爾 WD615T1-3 六缸四沖程柴油發(fā)動機，額定功率 120kw，最大輸出扭矩 840N·m。 2.1.2 傳動機構(gòu) 采用發(fā)動機—液力變矩器—變速器—中央傳動—最終傳動的路線。 （1）液力變矩器 推土機功率 120kw，屬大型推土機，應(yīng)選液力機械傳動。液力機械傳動所選變矩器應(yīng)有較大的工作變矩系數(shù)和啟動變矩系數(shù)，以及較大的最高效率較寬的高效率范圍，而且穿透性應(yīng)比較小。 選用 YJ380 型單級單相三元件液力變矩器，循環(huán)圓直徑 380 mm，變矩系數(shù)2.38，最高效率 86%。該變矩器使推土機輸出力的大小能自動適應(yīng)外負載的變化，并保證超載運行時發(fā)動機不熄火。 （2）變速器 變速器要求結(jié)構(gòu)緊湊，換檔平穩(wěn)，換檔時無需切斷動力。 采用行星齒輪式動力換檔變速器，速度的切換通過手操作液壓控制閥實現(xiàn)，前進后退各三檔，采用強制潤滑。 （3）中央傳動和最終傳動 采用一對螺旋圓錐齒輪傳動，將動力分左右兩部分。通過左右轉(zhuǎn)向離合器再將動力傳給最終傳動，最終傳動為二級直齒輪減速機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，承受力強，是推土機的主要受力部件。 （4）轉(zhuǎn)向機構(gòu) 采用多片濕式轉(zhuǎn)向離合器，利用彈簧壓緊，手操縱（與制動器聯(lián)動）油壓助力壓縮，液壓分離；采用濕式帶抱式腳踏油壓助力轉(zhuǎn)向制動器，以轉(zhuǎn)向器從動鼓作為制動鼓。 2.1.3 行走機構(gòu) 行走機構(gòu)由臺車、平衡梁和四輪一帶(托輪、鏈輪、支重輪、引導(dǎo)輪和履帶) 組成。臺車通過平衡梁與機架間半剛性聯(lián)接，支撐推土機前部幣量。臺車張緊液壓缸起張緊履帶的作用，緩沖彈簧起緩和沖擊的作用。履帶為密封潤滑型耐磨損，摩擦系數(shù)低，使用壽命長。 2.1.4 工作裝置 推土鏟可根據(jù)不同的使用土況配置角鏟、直傾鏟、U 形鏟和環(huán)衛(wèi)鏟。后工作裝置可配置單齒松土器、三齒松土器、工業(yè)絞盤、拖式鏟運機、拖式振動壓路機等，并可根據(jù)用戶需要改裝成吊管機和焊接工程車，這些工作裝置均為液壓驅(qū)動、結(jié)構(gòu)簡單、連接方便。 采用液壓操縱式直傾鏟刀，鏟刀可以在液壓缸的作用下強制入土，在較硬土質(zhì)條件下正常作業(yè)，保證作業(yè)質(zhì)量，操作輕便，易于控制。工作裝置布置在推土機前端，主要包括推土鏟刀、頂推架、水平撐桿、斜撐桿和控制推土鏟刀起落的液壓缸。 直傾式鏟刀的推土板采用中部為圓弧段，上部為擋土板，下部為直線段的復(fù)合型推土板，推土板斷面結(jié)構(gòu)為半開式。推土板側(cè)邊與推土機縱軸方向夾角一般為 5～7 度。 2.1.5 液壓系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)分為變速變矩液壓系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)和工作裝置液壓系統(tǒng)。變速液壓系統(tǒng)由變速泵、變速閥等組成，用于推土機的前進、后退和變速換擋，使推土機換擋平穩(wěn)、可靠、省力。轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向泵、轉(zhuǎn)向閥等組成，用于推土機的轉(zhuǎn)向和制動，使推土機轉(zhuǎn)向制動靈活可靠。工作裝置液壓系統(tǒng)由工作泵、控制閥和液壓缸等組成，用于推土機工作裝置的提升、下降和保持，作業(yè)效率高。 2.2推土機總體參數(shù)選擇 推土機的總體參數(shù)包括重量、速度、牽引力等。初選時，一般按經(jīng)驗公式或相似法則來確定，然后通過總體計算來校核總體性能。如果計算結(jié)果不夠理想，必須對某些參數(shù)做適當(dāng)?shù)男薷模垣@得良好的總體性能。 2.2.1 推土機重量和接地比壓 推土機的重量總體性能影響很大，他是衡量發(fā)動機功率利用的一個重要參數(shù)。 此款推土機的使用重量是173850N，其發(fā)動機額定功率是120Kw，所以其比重量約是1.45。 推土機的接地比壓q是使用重量與履帶接地面積F之間的比值按下式計算： q= （2.1） 式中：——推土機的使用重量（KN）; L——履帶接地長度（m）； b——履帶板寬度（m）； 其中，是173.85kN，L為2.43m，b為0.51m。 q==68KPa 履帶式推土機的接地比壓一般在60KPa左右。 2.2.2 推土機的行走速度 推土機前進時1—3檔的速度分別為0—3.8Km/h,3.8—6.6 Km/h，6.6—10.6 Km/h。后退時1—3檔的速度分別為0—4.9 Km/h，4.9—8.5 Km/h，8.5—13.6 Km/h. 2.2.3 鏟刀的垂直壓力及比壓入力 鏟刀的垂直壓力p是以推土機在油缸的作用下，抬頭失穩(wěn)極限情況下確定的，其計算公式如下： P=（N） （2.2） 式中：—推土機使用重量（N）； 、—鏟刀切削刃及整機重心至傾翻點水平距離； 為17385N, 、分別為3.5m，1.2m，所以有如下： P=17385N×=42255N 比入壓q是鏟刀單位支地面積的垂直壓力。q按下式計算： q3.4MPa F—切削刃接地面積（㎡）。 2.2.4 鏟刀的提升高度和切削深度 此款推土機鏟刀的提升高度為1095㎜，鏟土深度為545㎜。 2.2.5推土機生產(chǎn)率 影響推土機生產(chǎn)率的因素主要有每鏟最大推土量V,推土作業(yè)生產(chǎn)率，平地作業(yè)生產(chǎn)率。 1 每鏟最大推土量V: V= （2.4） 式中：—推土板寬度（m），取0.2m； —推土板高度（m），取1.149m； h— 平均切土深度（m），取0.545m； —土的自然坡度角，?。? —土地的充盈系數(shù)，取1.0。 所以V=×1.0=0.063 2 推土作業(yè)生產(chǎn)率: =(/h) （2.5） 式中：—推土機作業(yè)時間利用系數(shù)，取0.90； —推土板土量損漏系數(shù)，取決于運輸距離L, =1-0.005L； —坡度作業(yè)影響系數(shù)，取0.7； T—一個推土周期循環(huán)時間（s），取 T=+++2++ （2.4） 式中： —切土距離，取10m； —運土距離，取50m； 、、—分別為切土、運土、返回的速度（m/s）,分別取0.8 m/s、1.6 m/s、4 m/s; —推土機掉頭時間，取10s； —換擋時間，取4s； —鏟刀下落時間，取1s。 所以T=84s 推土作業(yè)生產(chǎn)率==1.28 /h 第三章 推土機重心計算 3.1 重心位置分析 推土機的中心位置主要是指縱向的位置，橫向一般分布在推土機縱軸中心線上，重心的高度在滿足離地間隙要求的情況下，為提高穩(wěn)定性，應(yīng)盡量降低。 影響重心位置有兩個：一個是總體布置是否合理；另一個是作用在鏟刀上的外載荷的變化。推土機在各種工況作業(yè)時，地面對鏟刀反力的大小和方向是影響接地比壓的重要因素。顯然不可能要求在任何情況下推土機接地比壓均勻，并使得壓力中心保持在接地中心上，因此只能找出一個對推土機總體性能影響最大而又經(jīng)常遇到的工況，滿足上述要求，這是推土機重心合理布置的基本要求。 3.2 重心位置的確定 1 理論分析：為了使液壓推土機鏟刀具有良好的的強制入土的性能，重心入土以強制入土為基本情況。此時，要求接地比壓均勻，壓力中心位于接地重心上。如圖3-1： 圖3-1 重心位置的確定 以驅(qū)動輪中心線與地面交點O為坐標(biāo)原點，建立坐標(biāo)系。重心位置距O點為l，地面對履帶支反力的合力N距O點為接地長度的一半，即L/2。 由=0得： N=－ （3.1） 由=0得： －－N=0 (3.2) 則 =+=1.46m 從上式可見，推土機重心的確定，以入土工況為基本工況是，必須將重心布置在接地中心之前，其前超量為。重心位于接地重心之前，使鏟刀強制入土性能提高，入土力大，不易抬頭。 第四章 推土機工作裝置設(shè)計 4.1 工作裝置結(jié)構(gòu)類型 推土機的工作裝置也稱鏟刀，它包括推土板，頂推架，鏟倒升降機構(gòu)等。 推土板的橫向結(jié)構(gòu)外形為直線型，直線型推土板切削力大，但推土板兩側(cè)有土遺漏現(xiàn)象。推土板前土形成的時間較長，因此它主要用于短距離土的剝離和運輸。如圖4-1： 圖4-1 直線型固定式鏟刀 推土板縱向外形結(jié)構(gòu)為復(fù)合型，下面直線段，上面為圓弧段。如圖4-2所示： 圖4-2 推土板結(jié)構(gòu)外形 推土板斷面結(jié)構(gòu)為斷開式，如圖4-3所示： 圖4-3 推土板斷面結(jié)構(gòu)型式 推土板側(cè)邊與推土板從軸方向的夾角是～。推土板兩側(cè)輪廓為直角外形。 推土機的外形對減少推土機在作業(yè)時的能量消耗，提高作業(yè)效率有很大關(guān)系。合理的推土板外形土的切削阻力較小，土屑沿推土板面向上滑移時，摩擦功消耗較小，并且土屑再向上滑移的同時，向推土板的前方滑落，容易形成較大的土塊。 設(shè)計推土板外形是要考慮以下因素： （1）土屑在推土板上緣易向前翻落，不應(yīng)越過刀背向后翻落。 （2）推土板前積累土體要多。 （3）土屑沿推土板前面上升時變形小。 （4）推土板卸土干凈，不易粘著濕土。 4.2 工作裝置主要參數(shù)及結(jié)構(gòu)尺寸的確定 4.2.1鏟刀的高度和寬度 （1） 鏟刀的高度鏟刀支地，沿地面垂直方向量出的高度稱為鏟倒高度 鏟倒高度取決于發(fā)動機的額定功率，可按以下經(jīng)驗公式確定： =（220～275） （㎜） (4.1) 式中:—發(fā)動機的額定功率（KW） =233×=1149㎜ （4.2） (2) 鏟倒寬度 鏟刀切削刃外廓寬。推土機鏟刀必須有自身開辟道路的能力，因此鏟刀寬必須大于行走裝置每邊25～35㎜。 當(dāng)鏟刀高度確定后，也可以根據(jù)經(jīng)驗公式確定鏟刀的寬度： =（2.5～3） （4.3） =3×1149=3416㎜ 4.2.2 推土板角度參數(shù)的選擇 推土板的形狀對減少推土機作業(yè)過程中能量消耗， 提高作業(yè)效率有很大關(guān)系。合理的推土板外形，土的切削阻力較小，土屑沿推土板面向上滑移時，摩擦功消耗較小，并且土屑在向上滑移的同時，向推土板前面翻落，容易形成較大的土堆；不合理的推土板外形，使土的切削阻力增加，土屑在向上運動及向前翻滾時雜亂擠出，這樣就加大了土屑間摩擦力，增加了能量的消耗。對于同樣的土，當(dāng)切削面積相等時，推土板外形稍有改變，切削阻力就隨之改變，所需的頂推力也就不同。推土板角度參數(shù)包括切削角δ，后角а，刀刃尖角β，前翻角 ，擋土板安裝角 ，推土板斜裝角ε，擋土板垂直面傾斜角ξ。推土板各角度如圖 4-4所示。 圖4-4 推土板角度參數(shù) （1）切削角的選擇 切削角δ是鏟刀支地，刀片與地平面間夾角，δ越小土的切削阻力就越小，由于推土機正常作業(yè)時，必須保證后角а大與 30°。因此δ過小不僅使а得不 （2）后角的選擇 后角а是刀片后端斜面與地平面的夾角，若а<30°，由于地形起伏會出現(xiàn)刀片背后接地現(xiàn)象（此時а=0），從而增加摩擦阻力，使切削能力降低。若а太大，則推土阻力明顯增大。選а為 30°。 （3）刀刃尖角的選擇 刀刃尖角β是刀片前后面夾角，β過小刀片強度減弱，β過大引起后角а過小。選β為 30°。 （4）前翻角的選擇 前翻角是推土板最上緣切線與水平面夾角。的選擇主要考慮使土屑沿推土板上緣向前翻落性能良好。選為 75°。 （5）推土板回轉(zhuǎn)角的選擇 推土板回轉(zhuǎn)角φ是指在水平面內(nèi)，推土板與推土機縱軸線的夾角，對于固定式鏟刀。取φ=90°。 （6）推土板傾斜角的選擇 推土板傾斜角ξ是在垂直面內(nèi)推土板與地平面夾角，有了ξ角能使推土機在坡地上，橫向推出水平切土面，以及在平地上推出橫坡，另外對較堅硬土可用角鏟作業(yè)（鏟刀尖肯地）。ξ的調(diào)整范圍，取ξ為±10°。 （7） 擋土板安裝角的選擇 擋土板安裝角是推土板上部擋土板與地平面的夾角，取 90°，加裝擋土板的目的是防止土屑往推土板后面翻落并增加推土板前積土量。 （8）推土板斜裝角的選擇 推土板斜裝角是整個推土板與地面傾斜安裝的角度。ε過小，一方面土屑易從推土板上緣往后翻落，另外，由于推土板上積土太多而引起鏟刀提升阻力增加，ε過大，則隨著切削角δ增大，使得土屑上升變形加大，增加切削阻力。取ε=75。 推土板角度參數(shù)值的選擇見表 4.1。 表4.1 推土板角度參數(shù) 4.2.3推土板曲率半徑 推土板曲率半徑 Rg 是鏟刀的重要參數(shù)之一，它直接影響到推土機的作業(yè)性能。當(dāng)推土板高度一定時，為了不使土屑向推土板后面翻落及增大鏟刀前面的積土量，Rg 宜小些，而為了減小土屑上升阻力及卸土干凈，Rg 值又宜大些。因此確定 Rg 時要綜合考慮上述因素，其中不使土屑往推土板后面翻落是主要因素，也就是要求 <90,一般需滿足 Rg>（0.8—0.9）Ho,通常取 Rg= Ho。 4.2.4推土板直線部分及檔土板尺寸 固定式鏟刀推土板采用下部為直線段的復(fù)合形推土板，下部直線部分用來安裝刀片，直線部分等于刀片寬度。 取 a=0.15Hg=172.35≈180mm 推土板垂直高度根據(jù)總尺寸確定。 4.2.5頂推架于臺車架的鉸點位置 頂推架鉸接在臺車架上，其鉸點位置影響鏟刀升降機構(gòu)的運動，它與鏟刀升降高度、頂推架長度等參數(shù)有關(guān)。 頂推架鉸點位置對臺車架的受力狀況影響很大(尤其當(dāng)鏟刀受到偏載及橫向力時，太靠前則臺車架發(fā)生較大形變，太靠后則推土機易前翻)，為了使鉸點反力均衡的(縱向和橫向)傳至臺車架和八字架上，避免臺車架受力過大發(fā)生形變，鉸點位置一般選在八字架與臺車架聯(lián)接中點的附近。 4.2.6鏟刀鋼板厚度 推土板及頂推架均是鋼板焊接部件，鋼板厚度由剛度和強度條件確定。取鋼板的厚度為22㎜。 4.3 推土機工作裝置的強度計算 4.3.1土壤的切削性能 表1 幾種土壤的粘聚力C和重度 塑性土壤的種類 粘土 亞粘土 亞砂土 C/MPa /(KN/m3) C/MPa /(KN/m3) C/MPa /(KN/m3) 硬性 0.10 21.5 0.06 21.5 0.02 20.5 半硬 0.06 21.0 0.04 21.0 0.015 20.0 低塑 0.04 20.5 0.025 21.0 0.01 19.5 塑性 0.02 19.5 0.015 19.0 0.005 19.0 高塑 0.01 19 0.01 18.5 0.002 18.5 流動 0.005 18 0.005 18.0 0.00 18.0 表2 土壤的自然坡度角 種類 狀態(tài) 碎石 礫石 砂石 粘土 輕亞粘 土 種植土 粗砂 中砂 細砂 肥土 貧土 干 35 40 30 38 35 45 50 40 40 濕 45 40 32 35 30 35 40 30 35 飽和 25 35 27 25 20 15 30 20 25 表3 土對鋼和土對土的摩擦系數(shù)、 土壤名稱 砂土和亞砂土 0.8 0.35 中質(zhì)亞粘土 1.0 0.50 重質(zhì)亞粘土 1.2 0.80 土壤內(nèi)摩擦角=，土與鋼的摩擦角。 表4 各種土壤的切削比阻力及刀刃入土比阻力（MPa） 土級別 土的名稱 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ 砂、砂質(zhì)上、中等濕度的松撤粘土、種植土 枯質(zhì)土、中綱砂礫、松散軟粘土 巒實枯土質(zhì)、中等鉆土、松散粘土、軟泥炭 合碎石成卵石的枯土、雹濕枯土、中等堅實煤炭、合少量雜質(zhì)的石礫堆積物 中等頁巖、得于枯土、堅實而硬的黃土，軟石膏 0.01——0.03 0.03——0.06 0.06——0.13 0.13——0.25 0.25——0.32 0.25 0.6 1.0 1.4 表5 履帶行走機構(gòu)在各種地面的滾動阻力系數(shù)和附著系數(shù) 支撐面種類 滾動阻力系數(shù) 附著系數(shù) 鋪砌的路面 0.05 0.6—0.8 干燥的土路 0.07 0.8—0.9 柔軟的砂質(zhì)路面 0.10 0.6—0.7 細砂地 0.10 0.45—0.55 收割過的草地 0.10 0.7—0.9 開墾的田地 0.10—0.12 0.6—0.7 冰雪凍結(jié)的道路 0.03—0.04 0.2 4.3.2推土機受力分析 推土機作業(yè)受力分析是強度計算的依據(jù)，就是確定外載荷，踏實工作裝置提升機構(gòu)的工作依據(jù)，而且為工作裝置、履帶臺車架等零部件強度計算提供載荷依據(jù)。 （一） 鏟刀自重 液壓推土機靠油缸力使鏟刀強制入土，所以鏟刀不必太笨重，鏟刀自重在強度及剛度允許的情況下，可適當(dāng)減輕?？梢杂媒?jīng)驗公式確定鏟倒自重： =（0.18～0.21）（N） （4.4） —推土機的使用重量。 所以有：=17385×0.18=31293N （二） 鏟刀提升力計算 鏟刀提升力是指提升裝置的提升作用力，當(dāng)鏟刀遇到大障礙物，鏟刀提不起來，而鏟刀提升機構(gòu)供給的提升力足以使推土機繞履帶接地最前端（A 點）傾翻。 以拖拉機為脫離體，拖拉機受力有：拖拉機使用重量 GT,頂推架絞點支反力和，提升力，按內(nèi)力平衡，、、分別和、、大小相等，方向相反。 圖4-5 鏟刀提升力計算受力圖 =0得GT+Xm－Z－S=0 得 Sy=S= （4.5） 以鏟刀為脫離體，鏟刀受力有：土的反力 Px 和 Pz,鏟刀自重 Gg，頂推架絞點C 的反力 Xc 和 Zc，提升力 Sy,此時與地平面成θ角。 =0 得X=Xc=Px+Sycos =0 得 Z=Zc= 將X和Z值代入式，得 Sy= （4.6） 式中：—推土機使用重量 Px—土的反力 Gg—鏟刀自重 θ—提升力與地面夾角 —Sy 力與作用線距離 l、、lg--見圖示 Sy= =120860N 考慮動載荷的鏟刀提升力： = （4.7） 式中: --動載系數(shù)，查表取1.4 故=169200N 4.3.3推土機作業(yè)阻力計算 以推土機在水平地面勻速行駛，鏟刀以最大切土深度進行作業(yè)，當(dāng)切土結(jié)束提升推土鏟的瞬時所產(chǎn)生的最大作業(yè)阻力作為 計算工況，其作業(yè)阻力主要有：切線切削阻力 Pq，鏟刀前積土的推移阻力 Pt，刀刃與土壤摩擦阻力 Pm1和土屑沿鏟刀上升時的摩擦阻力的水平分力 Pm2， (1)切線切削阻力 Pq 設(shè) Pq 的作用點在鏟刀刃前， 作用方向沿鏟刀切削角底邊并與推土機前進方向相反，則: Pq = B （4.8） 式中：B--- 推土板的寬度 （3.416m） --- 切削比阻力，查表4取=0.05（MPa） ---推土產(chǎn)平均切削深度（m） 圖4-6 推土鏟平均切屑計算 =（－）sin=－sin =0545－sin=0.248m 故=×3.416×0.248×0.0542358 N 鏟刀前積土的推移阻力 =· (4.9) 式中：—土與土之間的摩擦系數(shù)，查表3取0.5 —推土鏟前積土重量 = （4.10） 式中：—土的重度（N/），查表1得=21×N/ B—推土鏟的寬度（3.416m） H—推土鏟的高度（1.149m） —推土鏟平均切屑深度（0.248m） —土壤的自然坡度角，查表2得取 故=21×=34701N 故=34701N×0.5=17351N (3)刀刃與土壤摩擦阻力： =·B·x· （4.11） 式中：—推土鏟切削刃磨損后切削刃壓入土的比阻力，查表4得 0.483Mpa B—推土鏟寬度（3.416m） x—切削刃磨損后的接地長度 m (取 0.008m) —土壤與鋼鐵的摩擦系數(shù)，查表3取 1.0 故=×0.483× 3.416 ×0.008 ×1.013200N (4)土屑沿鏟刀上升時的摩擦阻力的水平分力 = （4.12） 式中:Gt—推土鏟前積土重量（34701N） —土壤與鋼鐵的摩擦系數(shù)（1.0） —推土鏟的切削角（55°） 故=34701 ×1.0× 55° = 11416 N 綜上所述：推土機的作業(yè)阻力 PT 為： PT=Pq+Pt+Pm1+Pm2=42358+17351+13200+11416=84325N 上述作業(yè)阻力計算時，沒有考慮鏟刀碰撞障礙物時的沖擊載荷的影響，當(dāng)鏟刀碰撞到難以克服的障礙物時，推土機仍全力頂推，履帶完全滑轉(zhuǎn)，此時需考慮猛烈的沖擊及慣性力，計算經(jīng)驗公式： Px =Kd ·PT （4.13） 式中:Kd—動載系數(shù)，取 1.5 故Px=1.5 ×84325=126488N 4.4 推土機鏟刀的強度計算 4.4.1計算位置的確定（第一計算位置） 鏟刀的水平土反力 Px 和頂推架絞點水平反力 Xc 的最大值，適當(dāng)推土機具有最大頂推力和慣性力時產(chǎn)生的。即推土板頂?shù)秸系K物，履帶滑轉(zhuǎn)時出現(xiàn)的。 鏟刀的土切垂直反力Pz 和鏟刀升降力的最大值， 是在推土板固定切削時或者以全功率提升及強制入土?xí)r產(chǎn)生的。 推土機中部頂?shù)秸系K物，其計算條件為： ⑴推土機在水平地面作業(yè) ⑵帶土的推土板從切削位置提升到運土位置 ⑶推土機功率足夠大，在頂升推土板的同時，以最大頂推力向前，即可能使推土機翹尾失穩(wěn)，同時履帶滑轉(zhuǎn)。 4.4.2超靜定計算 為了使鏟刀有足夠的高度，推土板和頂推架往往組成一個超靜定構(gòu)件，因此需要按解超靜定方法進行鏟刀的強度計算。 首先繪制計算草圖，如圖5-7所示，其中各件的幾何尺寸和相互間位置，是根據(jù)總體布置要求確定。 圖4-7 超靜定計算草圖 已求出，， =·ctg() =-22303N 式中： 土對鋼的摩擦角=arctan1= 將Px和轉(zhuǎn)算到頂推架平面上，其合力為 則：= +cos 式中：λ --力與頂推架平面間夾角(45°) 故 =238452N 此時附加力矩M1,M2 頂推架平面內(nèi)構(gòu)建具有三個多余約束，即頂推支座多余一個約束及水平撐桿多于兩個約束。由于P1 作用在推土板中間，兩水平撐桿的約束相同，所以可簡化為兩次超靜定結(jié)構(gòu)。 解此超靜定系統(tǒng)求出支反力和兩個水平桿的約束力，首先畫出該結(jié)構(gòu)所受多余未知力X1，X2，如圖4-8 所示。 圖4-8 工作裝置所受多余未知力 并建立兩個補充方程： ++=0 （4.14） ++=0 （4.15） 式中：和--去除多余約束后假設(shè)的未知反力 、和--分別為、和力作用下沿作用方向上的位移量 、和--分別為、和力作用下沿作用方向上的位移量 頂推架與履帶臺車架兩絞點的作用力分別為、和、。 圖4-9 多余未知力計算圖 在P1載荷下： =-=0 得===119226N =-=0 ===55311N ===0 ==165933N 在單位力作用下： =-1+1=0 得==0 =-1=0 得== ===0 ==0 在單位力作用下： = =0 = =0 ==== =sin 通過以上分析計算，建立在載荷 P1 作用下和單位力=1和=2作用下，基本結(jié)構(gòu)圖上的彎矩圖、和，如圖 4.5 所示，圖乘法計算、、、、、值: == === == =－=－ =－ =－ 帶入以式4.14與4.15得： =21967.73N =193985.3N 多余未知力求出后，最后彎矩圖可有下式按疊加原理計算： Mg= （4.16） 得到工作裝置所受軸向力和彎矩圖如圖5-10所示： 圖4-10 工作裝置所受軸向力和彎矩圖 推土板在外力作用下，從Mg 圖可見，推土板中間O 截面及頂推架的D 截面彎矩最大。 得到推土板截面特性參數(shù)如下： 體積 = 9.8732567e+07 曲面面積 = 1.6882094e+07 密度 = 7.8000000e-06 kg / 質(zhì)量 = 7.7011402e+02 kg 根據(jù)推土鏟 坐標(biāo)邊框確定重心: X Y Z 1.6978878e+03 7.0192331e+02 -1.4649351e+02 mm 相對于推土鏟 坐標(biāo)系邊框之慣性. (kg×㎡) 慣性張量 Ixx Ixy Ixz 4.7590098e+08 -9.1781195e+08 1.9155013e+08 Iyx Iyy Iyz -9.1781195e+08 3.0798006e+09 8.8997762e+07 Izx Izy Izz 1.9155013e+08 8.8997762e+07 3.5055927e+09 重心的慣性(相對推土鏟坐標(biāo)系邊框) (kg×㎡) 慣性張量 Ixx Ixy Ixz 7.9941711e+07 0.0000000e+00 0.0000000e+00 Iyx Iyy Iyz 0.0000000e+00 8.4317113e+08 9.8090872e+06 Izx Izy Izz 0.0000000e+00 9.8090872e+06 9.0605779e+08 主慣性力矩(kg×㎡) I1 I2 I3 7.9941711e+07 8.4167662e+08 9.0755230e+08 從推土鏟定位至主軸的旋轉(zhuǎn)矩陣: 1.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.98859 0.15062 0.00000 -0.15062 0.98859 從推土鏟定位至主軸的旋轉(zhuǎn)角(度): 相對 x y z 的夾角 -8.663 0.000 0.000 由 = = 根據(jù)以上數(shù)據(jù)得： =0.0643 =0.254 =－3308.8N?m =21717.1 N?m O 截面的正應(yīng)力值為： 代入數(shù)據(jù)得： 設(shè)扭矩值與剛度成正比故O 截面上扭矩剪切應(yīng)力為： 式中