推土機(jī)操縱力與操縱行程確定方法研究

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(山推工程機(jī)械股份有限公司工程機(jī)械研究院，山東 濟(jì)寧 272073)

推土機(jī)操縱力與操縱行程確定方法研究

季有昌，楊森

(山推工程機(jī)械股份有限公司工程機(jī)械研究院，山東 濟(jì)寧 272073)

介紹推土機(jī)操縱力與操縱行程的一種經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法，重點(diǎn)分析了此計(jì)算法的基本原則和試驗(yàn)測定法的試驗(yàn)步驟與注意事項(xiàng)。通過對某型推土機(jī)操縱力與操縱行程的理論計(jì)算數(shù)值和實(shí)驗(yàn)測定數(shù)值的對比發(fā)現(xiàn)，理論計(jì)算數(shù)值與試驗(yàn)測得數(shù)值的相對誤差在10%左右，在誤差允許的范圍內(nèi)，充分證明了這2種方法的一致性。

推土機(jī)操縱力；推土機(jī)操縱行程；理論計(jì)算法；實(shí)驗(yàn)測定法

0 引言

推土機(jī)是廣泛應(yīng)用于土石工程作業(yè)的機(jī)械之一，作業(yè)過程中，需要頻繁操作推土機(jī)的前進(jìn)擋和后退擋，同時需要不斷操作鏟刀和松土器的操縱手柄，來調(diào)節(jié)鏟刀或松土器的入土深度，以便更高效作業(yè)。其中，控制推土機(jī)前進(jìn)后退和轉(zhuǎn)向的機(jī)構(gòu)稱為變速換向機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，控制鏟刀和松土器動作的機(jī)構(gòu)稱為工作裝置操縱機(jī)構(gòu)。由于這幾套機(jī)構(gòu)在推土機(jī)作業(yè)時需頻繁操作，所以操縱力和操縱行程設(shè)計(jì)的合理與否直接影響到推土機(jī)的使用性能。故對確定推土機(jī)操縱機(jī)構(gòu)操縱力和行程的方法進(jìn)行研究。

1 操縱力和操縱行程計(jì)算[1]

1.1 操縱系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

操縱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想為：

a.通過連桿、固定支架和傳動軸等剛性件空間位置的合理布置和組裝，形成多個空間剛性機(jī)構(gòu)。

b.設(shè)計(jì)時，依據(jù)構(gòu)思的方案，對機(jī)構(gòu)進(jìn)行尺寸綜合，確定機(jī)構(gòu)的尺寸、運(yùn)動空間和相位關(guān)系等。

c.操縱系統(tǒng)中前一套機(jī)構(gòu)的從動件可看成是后面機(jī)構(gòu)的原動件[2]；文中“一套機(jī)構(gòu)”是指包含原動件搖臂、從動件搖臂及中間傳遞運(yùn)動的連桿的機(jī)構(gòu)。

d.操縱手柄上的動作通過這些剛性機(jī)構(gòu)(操作時不考慮這些鋼性結(jié)構(gòu)件的變形)，逐級傳遞，從手柄處的搖臂開始，往閥方向通過各套連桿機(jī)構(gòu)逐步傳遞動作，即前一套機(jī)構(gòu)的從動件搖臂為后一套機(jī)構(gòu)的原動件，手柄動作從一套機(jī)構(gòu)傳遞到另一套機(jī)構(gòu)，最終作用于變速換向閥、轉(zhuǎn)向閥和鏟刀提升閥等液壓閥，控制液壓閥閥桿動作，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部油路的變換，從而實(shí)現(xiàn)推土機(jī)的變速、換向、轉(zhuǎn)向及鏟刀的提升等多種動作。

e.多個剛性機(jī)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)和布置，是推土機(jī)操縱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。

操縱系統(tǒng)的最終執(zhí)行元件是液壓閥的閥桿，計(jì)算手柄操縱力和操縱行程時通常從液壓閥閥桿開始計(jì)算。逐級機(jī)構(gòu)前推，得到手柄上的力和行程。

1.2 變速-轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)操縱原理

以某型推土機(jī)的操縱系統(tǒng)的變速-轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)為例，如圖1所示，說明設(shè)計(jì)時操縱力和操縱行程的計(jì)算方式和注意事項(xiàng)。

圖1 某型推土機(jī)變速-轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)三維模型

推土機(jī)變速-轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖如圖2和圖3所示。為便于表達(dá)和理解，將變速換向運(yùn)動結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的簡圖分開表示。

圖2 變速換向機(jī)構(gòu)

圖3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

文中所稱的搖臂，是指廣義上的搖臂。比如，連桿兩端通過關(guān)節(jié)軸承連接的部件，有可能是帶有半圓鍵槽的軸，也有可能是一個結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜的支架，但是支架上有2個位置通過關(guān)節(jié)軸承用來連接連桿，這種結(jié)構(gòu)的支架也稱為搖臂。

變速換向機(jī)構(gòu)操縱原理：

a.當(dāng)左、右推拉變速換向手柄時，手柄通過球銷副拉動搖臂1，搖臂1通過拉動連桿4帶動搖臂7轉(zhuǎn)動，搖臂7轉(zhuǎn)動拉動末端接換向搖臂的連桿2，通過換向搖臂操控變速換向閥閥桿，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退的換向動作。

b.當(dāng)前、后推拉手柄時，手柄通過球銷副拉動搖臂1，搖臂1通過拉動連桿5帶動搖臂3運(yùn)動，搖臂3拉動末端接變速搖臂的連桿6，通過變速搖臂操控變速換向閥閥桿，實(shí)現(xiàn)1～3擋的速度變換。另外，該推土機(jī)停車時，變速換向機(jī)構(gòu)手柄應(yīng)置于空擋位置。

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)操縱原理：當(dāng)拉動左轉(zhuǎn)向手柄時，手柄繞軸5轉(zhuǎn)動，軸5帶動搖臂2轉(zhuǎn)動，搖臂2拉動末端接轉(zhuǎn)向閥左搖臂的軟軸4運(yùn)動，轉(zhuǎn)向閥左搖臂拉動轉(zhuǎn)向閥閥桿，實(shí)現(xiàn)閥內(nèi)油路的變換，從而實(shí)現(xiàn)左側(cè)轉(zhuǎn)向離合器分離，動力被切斷，實(shí)現(xiàn)推土機(jī)左轉(zhuǎn)向。實(shí)現(xiàn)右轉(zhuǎn)向操縱原理相同，當(dāng)松開手柄時左右轉(zhuǎn)向手柄自動回位。

1.3 手柄操縱行程的計(jì)算

操縱機(jī)構(gòu)操縱行程的計(jì)算基于以下原則：

a.連桿兩端連接的2個搖臂走過的區(qū)域相等。

b.同一傳動軸上的2個搖臂或多個搖臂轉(zhuǎn)動的角度相同。

c.假設(shè)各操縱機(jī)構(gòu)中的多個部件，比如關(guān)節(jié)軸承、半圓鍵槽等，傳遞過程中無任何空行程。

d.軟軸兩端連接的2個搖臂走過的行程相等，傳遞過程中無損失。

以變速機(jī)構(gòu)為例，說明操縱行程的計(jì)算方法。假設(shè)閥端第1級搖臂轉(zhuǎn)過的角度為α1，則通過連桿連接的第2級搖臂轉(zhuǎn)過的角度為α2，第1級搖臂和第2級搖臂的轉(zhuǎn)動半徑分別為R1和R2，第n級搖臂的轉(zhuǎn)動半徑為Rn。此過程第1級搖臂從位置A運(yùn)動到位置B，第2級搖臂從位置C運(yùn)動到位置D，則第1級搖臂的行程L1為：

(1)

即

(2)

如圖4所示，當(dāng)?shù)?級搖臂從A點(diǎn)運(yùn)動到B點(diǎn)時，由于第1級搖臂與第2級搖臂之間是通過剛性連桿連接，則連桿另一端從C點(diǎn)運(yùn)動到D點(diǎn)，即第2級搖臂從C點(diǎn)運(yùn)動到D點(diǎn)。連桿右端走過的行程為α1對應(yīng)的弧長，連桿左端走過的行程為α2對應(yīng)的弧長。但在實(shí)際生產(chǎn)中，一味追求測量弧長難以實(shí)現(xiàn)，另外，推土機(jī)行走操縱通過多級的轉(zhuǎn)化和推土機(jī)內(nèi)部空間的限制，每級搖臂轉(zhuǎn)過的角度不會太大，故用搖臂轉(zhuǎn)過角度(此處為α1和α2)對應(yīng)的弦長，來近似為搖臂走過的弧長，這種假設(shè)是符合數(shù)學(xué)理論和設(shè)計(jì)要求的。

圖4 從第1級搖臂到第2級搖臂的行程

操縱系統(tǒng)行程計(jì)算如下：

(3)

αn，αn+1為各級搖臂轉(zhuǎn)過的角度；Rn為各級搖臂的轉(zhuǎn)動半徑；Ln，Ln+1為各級搖臂走過的行程。

此處，αn=αn+1指同一傳動軸上的2個搖臂轉(zhuǎn)過的角度。Ln=Ln+1指同一連桿兩端的2個搖臂的行程。

已知，從1擋到2擋及從2擋到3擋時，變速閥的行程為12 mm，變速閥閥桿搖臂為55 mm，將數(shù)值代入式(3)，即L1=12 mm，逐級前推，得出變速手柄變速時的行程為35.86 mm。同理，得到換向手柄和轉(zhuǎn)向手柄行程如表1所示。

表1 換向和轉(zhuǎn)向手柄行程計(jì)算結(jié)果 mm

1.4 手柄操縱力的計(jì)算

操縱機(jī)構(gòu)操縱力的計(jì)算基于以下原則：

a.除軟軸外，操縱機(jī)構(gòu)的各零部件是剛性件，傳遞運(yùn)動過程中無任何變形。

b.同一連桿兩端的2個搖臂傳遞的力相等。

c.同一傳動軸上的2個搖臂傳遞的扭矩相等。

d.假定各連桿機(jī)構(gòu)間摩擦力為0，無力或扭矩的損失。

e.假定各連桿與搖臂垂直。

以變速機(jī)構(gòu)為例，說明操縱力的計(jì)算方法?；谝陨显瓌t，結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出操縱力計(jì)算公式為：

(4)

Fn，F(xiàn)n+1為各級搖臂的受力；Rn，Rn+1為各級搖臂的轉(zhuǎn)動半徑。此處，F(xiàn)n=Fn+1指同一連桿兩端連接的2個搖臂傳遞的力。

需要說明的是，搖臂在來回運(yùn)動的過程中，搖臂與連桿并不一定是一直垂直的，即式(4)中的β和γ不一定一直是90°，這個角度是不斷變化的。但是，目前尚未從理論上把握這個角度的變化規(guī)律，所以假定連桿與搖臂始終垂直，即式(4)中β和γ取90°，得到公式為：

(5)

已知變速時，從1擋到2擋及從2擋到3擋時，需克服閥端的彈簧力為105.8 N，變速閥閥桿搖臂半徑為55 mm，代入式(5)，逐級前推，得變速手柄變速時操縱力為35.72 N。同理，可得到變速手柄換向時的操縱力為28.35 N。

2 試驗(yàn)測定法

2.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器包括SG-210踏板力操縱力計(jì)、高度尺、鋼板尺及記錄本等附屬設(shè)備。

2.2 測定操縱力的實(shí)驗(yàn)方法及步驟

a.將待測推土機(jī)駕駛至干燥的土路或鋪砌的路面上，土路或路面的地面附著系數(shù)為0.6～0.8[3]，可反映推土機(jī)普通工況的操縱力。將踏板力操縱力計(jì)、記錄本等設(shè)備放置于座椅旁的操縱臺上，記錄待測推土機(jī)的車號。

b.檢查油位水位等，啟動發(fā)動機(jī)，將推土機(jī)開至寬闊地。將SG-210操縱力計(jì)前端掛環(huán)掛于待測手柄上，此處以左轉(zhuǎn)向操縱力為例說明，慢慢拉左轉(zhuǎn)向手柄，直至推土機(jī)往左轉(zhuǎn)向，此時操縱力計(jì)記錄一個操縱力的數(shù)值，將測得數(shù)值記錄于記錄本上。重復(fù)以上步驟，連測3次，取平均值。同理，可測得右轉(zhuǎn)向操縱力，以及換擋操縱力并作記錄。

c.啟動第2臺待測推土機(jī)，重復(fù)步驟a和b，測量左右轉(zhuǎn)向操縱力及換擋操縱力，并記錄。連續(xù)測量3臺推土機(jī)，記錄數(shù)據(jù)取平均值。

d.用同樣方法，測得變速時和換向時的操縱力并記錄。

將測得的操縱力數(shù)據(jù)記錄，并匯總?cè)绫?所示。

表2 操縱力測量數(shù)據(jù) N

2.3 測定操縱行程的實(shí)驗(yàn)方法及步驟

a.準(zhǔn)備工作同2.2節(jié)步驟a。將高度尺、鋼板尺和記錄本準(zhǔn)備好，記錄待測推土機(jī)的車號。

b.將高度尺置于待測手柄前方操作臺，鋼板尺垂直橫放于高度尺與待測手柄間，標(biāo)定初始零刻線，用手扳動待測手柄，直至扳到最大位置。以測量工作裝置操縱行程為例，往后拉手柄，直至手柄拉到極限的位置，此時鏟刀迅速提升，記錄此時手柄走過的鋼板尺的刻度，得到鏟刀提升時手柄的操縱行程，記錄測得數(shù)據(jù)。用同樣測量方式可測得變速手柄、換擋手柄和鏟刀操縱手柄的行程等。

c.啟動第2臺待測推土機(jī)，重復(fù)步驟a和b，測量待測行程，并記錄，連續(xù)測量3臺以上推土機(jī)，記錄數(shù)據(jù)取平均值。將測得的操縱行程數(shù)據(jù)記錄，并匯總?cè)绫?所示。

表3 操縱行程測量數(shù)據(jù) mm

項(xiàng)目實(shí)測數(shù)值計(jì)算數(shù)值變速手柄行程3940 54135 86換向手柄行程5856 561 551 78轉(zhuǎn)向手柄行程687169 571 81

3 理論計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)值對比

將理論計(jì)算數(shù)值與試驗(yàn)數(shù)值統(tǒng)計(jì)于表4中。

表4 數(shù)值對比

操縱力理論計(jì)算數(shù)值/N試驗(yàn)測得數(shù)值/N相對誤差/%左轉(zhuǎn)向操縱力33 7536 839 1右轉(zhuǎn)向操縱力33 7536 678 7變速操縱力35 7239 179 7換向操縱力28 3533 3317 5行程理倫計(jì)算數(shù)值/mm試驗(yàn)測得數(shù)值/mm相對誤差/%變速手柄行程35 8640 1711 2換向手柄行程51 7858 6713 3轉(zhuǎn)向手柄行程71 8169 5-3 2

由表4數(shù)據(jù)可知，操縱力和行程實(shí)際測得數(shù)據(jù)比理論計(jì)算數(shù)據(jù)均偏大，相對誤差在10%左右。這是由于理論計(jì)算時，假定各連桿機(jī)構(gòu)間無摩擦力，各機(jī)構(gòu)間沒有空行程。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于制造水平的限制，無摩擦力狀態(tài)和無空行程狀態(tài)是完全理想的，實(shí)際中難以達(dá)到。另外，轉(zhuǎn)向手柄行程實(shí)際測得數(shù)值比理論計(jì)算數(shù)值偏小，其原因是，由于轉(zhuǎn)向離合器分離狀態(tài)憑感覺難以準(zhǔn)確判斷，導(dǎo)致實(shí)測轉(zhuǎn)向手柄行程偏小。

4 結(jié)束語

通常在推土機(jī)操縱的設(shè)計(jì)開發(fā)中，理論計(jì)算法與試驗(yàn)測量法要結(jié)合使用。理論計(jì)算法可指導(dǎo)操縱的設(shè)計(jì)，反之，試驗(yàn)測量法可指導(dǎo)操縱的改進(jìn)。2種方法的充分結(jié)合，可更好地指導(dǎo)推土機(jī)操縱的開發(fā)和改進(jìn)。所提出的操縱力和操縱行程計(jì)算方法，其科學(xué)性和正確性有待實(shí)踐的檢驗(yàn)，僅供讀者參考和討論。

[1] 季有昌,張立銀,李繼惠，等.推土機(jī)制動操縱裝置：中國，CN202952961U[P].2013-05-29.

[2] 趙衛(wèi)軍，王晶，姜琪.機(jī)械原理[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2003.

[3] 張光裕，許純新.工程機(jī)械底盤設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988.

Research of Bulldozer’s Operation Force and Manipulation Trip Determination Method

JIYouchang，YANGSen

(R&D Center of Shantui Construction Machinery Co.,Ltd., Jining 272073,China)

An empirical calculation method of bulldozer’s operating force and manipulate trip were introduced.The theoretical calculations’ basic principles and the experimental procedures and precautions were importantly introduced.By comparing of the theoretical force and manipulation trip and the experimental values of them ,we found that the relative error between them was about 10%,which was in the range of allowable error.And this fully proved the consistency of the two methods.

bulldozer’s operating force；bulldozer manipulation trip；theoretical calculation；experimental determination

2014-07-07

TU623.5；TH16

A

1001-2257(2014)12-0061-04

季有昌(1981-)，男，山東日照人，工程師，碩士，主要從事推土機(jī)的開發(fā)設(shè)計(jì)；楊森(1984-)，男，山東滕州人，助理工程師，主要從事推土機(jī)的開發(fā)設(shè)計(jì)。