推土機(jī)超級(jí)鏟設(shè)計(jì)分析

金 丹，侯文軍，楊和平，鮑奎宇JIN Dan, HOU Wen-jun, YANG He-ping, BAO Kui-yu（山推工程機(jī)械股份有限公司，山東 濟(jì)寧 272073）

Design & Research 設(shè)計(jì)研究

推土機(jī)超級(jí)鏟設(shè)計(jì)分析

金 丹，侯文軍，楊和平，鮑奎宇
JIN Dan, HOU Wen-jun, YANG He-ping, BAO Kui-yu
（山推工程機(jī)械股份有限公司，山東 濟(jì)寧 272073）

[摘 要]簡(jiǎn)要介紹了推土機(jī)鏟刀的形式及特點(diǎn)，基于挖掘理論對(duì)推土鏟主要參數(shù)的確定方法進(jìn)行了探索研究。在此基礎(chǔ)上提出大功率推土機(jī)用超級(jí)鏟設(shè)計(jì)理念，并以國(guó)內(nèi)某一大功率推土機(jī)為例，對(duì)其使用的超級(jí)鏟設(shè)計(jì)原理和性能影響因子進(jìn)行詳細(xì)分析，設(shè)計(jì)出一款超級(jí)鏟的參數(shù)并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，為以后大功率推土機(jī)超級(jí)鏟設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供了理論依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]推土機(jī)；超級(jí)鏟；設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)參數(shù)

推土機(jī)是工程機(jī)械中用途較廣的鏟土運(yùn)輸機(jī)械，廣泛應(yīng)用在電力、建筑、交通和國(guó)防等工程施工中。推土鏟是推土機(jī)的重要組成部分，推土鏟設(shè)計(jì)好壞將直接影響整機(jī)的作業(yè)效率，因此在推土機(jī)的設(shè)計(jì)中，推土鏟的設(shè)計(jì)尤其重要，鏟刀優(yōu)劣直接決定了整車在大型土石方工程中的作業(yè)性能和效率，對(duì)整車評(píng)價(jià)起到至關(guān)重要的作用。

1 推土鏟結(jié)構(gòu)對(duì)作業(yè)性能影響分析

1.1 推土鏟刀結(jié)構(gòu)

推土機(jī)的鏟刀主要有直傾鏟、角鏟和U型鏟等。直傾鏟橫向結(jié)構(gòu)外形為直線形，該鏟形切削力大，但推土板兩側(cè)溢漏現(xiàn)象嚴(yán)重，推土運(yùn)土作業(yè)效率較低，不適合大功率推土機(jī)的大負(fù)荷作業(yè)工況；角鏟比直傾鏟推土板寬，但高度減少較多，鏟刀容量有所減少，可用于平整場(chǎng)地；U型鏟具有強(qiáng)大的集土、運(yùn)土能力，生產(chǎn)效率高，但是切削性能有所下降。而大功率推土機(jī)的體積龐大，動(dòng)力強(qiáng)勁，要求既要有較大的切削力，也要有較大的集土運(yùn)輸能力才能充分發(fā)揮其大功率優(yōu)勢(shì)，提高其作業(yè)效率。因此需要根據(jù)其工況及作業(yè)特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)一種全新的超級(jí)鏟結(jié)構(gòu)，來(lái)更好的平衡大功率推土機(jī)鏟刀切削力和生產(chǎn)效率的關(guān)系。

1.2 推土鏟刀安裝方式

推土鏟根據(jù)鏟刀的安裝方式可以分為回轉(zhuǎn)式和固定式，回轉(zhuǎn)式是指鏟刀可在水平面轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，轉(zhuǎn)動(dòng)角度一般在0°～25°，并且在垂直面內(nèi)也可實(shí)現(xiàn)一定的傾斜，這種方式鏟刀相對(duì)較靈活，可對(duì)土壤進(jìn)行相對(duì)精細(xì)的平整和短距離集土作業(yè)，作業(yè)效率較低，主要適用于中小功率推土機(jī)；而固定式是指鏟刀與推土機(jī)縱向軸向固定為直角，這種結(jié)構(gòu)主要能實(shí)現(xiàn)鏟刀的升降及在垂直面內(nèi)的傾斜，負(fù)荷能力較強(qiáng)，作業(yè)效率較高，主要適用于中大功率推土機(jī)。

在現(xiàn)代工程建設(shè)中，大功率推土機(jī)的作業(yè)方式較少，應(yīng)用范圍較窄，主要要求大功率推土機(jī)超級(jí)鏟不僅有強(qiáng)大的鏟掘能力和推運(yùn)能力，而且也要求超級(jí)鏟刀能在垂直面內(nèi)傾斜，以便利用鏟尖進(jìn)行高強(qiáng)度土壤和巖石剝離作業(yè)和適應(yīng)在斜坡上的作業(yè)工況。

2 推土鏟主要參數(shù)設(shè)計(jì)分析

2.1 鏟刀容量

推土機(jī)鏟刀容量V是推土機(jī)整體性能的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，其容量V直接影響推土機(jī)的生產(chǎn)效率，所以確定其鏟刀容量時(shí)，必須考慮推土機(jī)在實(shí)際中發(fā)揮的最大驅(qū)動(dòng)力，因此，推土鏟的容量V和反映履帶推土機(jī)最大附著力的推土機(jī)使用重量G有個(gè)合理的比例關(guān)系，根據(jù)對(duì)中大功率推土機(jī)統(tǒng)計(jì)分析，推土機(jī)使用重量與超級(jí)鏟刀的容量的比值一般為35～40kN/m3。

2.2 鏟刀重量

推土鏟安裝在推土機(jī)的前部，其質(zhì)量對(duì)推土機(jī)的行走穩(wěn)定性及作業(yè)性能有一定的影響。推土鏟過(guò)重易導(dǎo)致推土機(jī)在不平路面行走過(guò)程中翹尾失穩(wěn)；過(guò)輕則使整機(jī)重心靠后，推土機(jī)鏟刀入土?xí)r的壓入力減小，推土鏟入土能力下降。對(duì)于大功率推土機(jī)而言，其整車重量更大，重心位置和鏟刀重量的設(shè)計(jì)更要根據(jù)其作業(yè)工況充分認(rèn)真分析。

根據(jù)大功率推土機(jī)推土鏟的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，其超級(jí)鏟的重量（包括液壓缸）取整機(jī)重量（不包括松土器）的10%～15%較為合適。

2.3 鏟刀運(yùn)動(dòng)參數(shù)

固定式鏟刀的運(yùn)動(dòng)由升降運(yùn)動(dòng)和傾斜運(yùn)動(dòng)組成。運(yùn)動(dòng)參數(shù)主要包括最大下降深度、最大提升高度和傾斜高度。

最大下降深度是提升油缸伸長(zhǎng)到最大狀態(tài)，使鏟刀切入土壤時(shí)，鏟刀與地面間的距離。鏟刀位于最大下降深度時(shí)，其切削刃和推土機(jī)壓力中心之間的連線與地面夾角一般大于20°。若切削深度過(guò)大，由于切削阻力加大，引起牽引力不足；若切削深度過(guò)小，發(fā)動(dòng)機(jī)功率得不到充分發(fā)揮，會(huì)降低生產(chǎn)率。

最大提升高度決定了推土機(jī)的駛?cè)虢?，其與推土機(jī)最大爬坡能力相關(guān)，推土機(jī)的最大爬坡角度一般為30°，鏟刀位于最大提升高度狀態(tài)時(shí)，推土機(jī)必須能通過(guò)最大爬坡角度的斜坡。

傾斜高度是鏟刀傾斜運(yùn)動(dòng)時(shí)鏟刀兩刀角最外端在豎直方向的距離，由傾斜油缸的行程決定，傾斜油缸的行程可通過(guò)鏟刀傾斜角的調(diào)整范圍確定。

2.4 鏟刀結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.4.1 鏟刀的高度Hg

鏟刀的高度由以下經(jīng)驗(yàn)公式確定

式中 Hg——鏟刀高度；

PK——推土機(jī)有效牽引力，以10kN為單位；

GS——推土機(jī)的使用重量。

2.4.2 鏟刀的寬度Bg

推土機(jī)鏟刀必須有自身開(kāi)辟道路的能力，因此鏟刀寬度Bg必須大于兩側(cè)履帶每邊25～35mm。另外，由于鏟刀寬度越大，入土?xí)r切削阻力就越大，根據(jù)不同的工況，可選用不同寬度的推土鏟，土質(zhì)越硬，寬度選擇相對(duì)較小的。對(duì)于超大馬力推土機(jī)，鏟刀高度確定后，結(jié)合鏟刀的總?cè)萘?，為了使推土機(jī)在挖掘，運(yùn)土和平整三種工況作業(yè)時(shí)達(dá)到最優(yōu)的平衡點(diǎn),可根據(jù)下列公式確定鏟刀的寬度Bg的值

Bg=(2.5～3.0)Hg（2）

2.4.3 鏟刀的角度參數(shù)

參見(jiàn)圖1,削角δ是鏟刀支地，刀片與地面間的夾角。切削阻力與δ有關(guān)，δ越大，鏟刀切削阻力就越大，但入土阻力小。結(jié)合后角α的取值，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，一般取δ=（50°～60°）±10°。

圖1 鏟刀角度參數(shù)

后角α，刀片后段斜面與地平面的夾角。α最好不能小于30°，否則，由于地勢(shì)起伏會(huì)出現(xiàn)刀片背后接地現(xiàn)象，從而增加摩擦阻力，降低切削能力。

前翻角βK，鏟刀最上緣切線與水平面間夾角。βK的選擇主要考慮使土屑沿推土鏟上緣向前翻滾性能。βK過(guò)大，會(huì)使土壤離開(kāi)上緣時(shí)不能向前翻滾；βK過(guò)小，推土鏟上部的曲率半徑過(guò)小，土壤沿推土鏟向上滑動(dòng)的阻力就大。一般取βK＝65°～70°。

鏟刀斜裝角ε，指整個(gè)推土鏟與地面傾斜安裝角度。ε過(guò)小，土屑易從推土鏟上緣往后翻落，鏟刀也不易卸土；ε過(guò)大，切削角δ隨之增大。一般取ε=75°。

2.4.4 鏟刀曲率半徑R

鏟刀曲率半徑R是決定推土鏟形狀的重要參數(shù)之一。它直接影響推土機(jī)作業(yè)性能。R過(guò)小，增加土屑沿推土鏟上升的阻力，并且導(dǎo)致卸土不干凈；R過(guò)大，土屑容易向推土鏟后面翻落，減少推土鏟前堆土量。因此確定R值要綜合考慮上述因素，其中最主要的就是避免土屑向推土鏟后面翻落，對(duì)于大功率推土機(jī)鏟刀，通常取

R=(0.6～0.7)Hg（3)

2.5 耳軸位置

推桿通過(guò)耳軸鉸接在臺(tái)車架上，其鉸點(diǎn)位置影響鏟刀升降機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，它與鏟刀升降高度、推桿長(zhǎng)度等參數(shù)有關(guān)，大功率推土機(jī)超級(jí)鏟的推桿一般鉸接在臺(tái)車架的偏后位置，甚至很靠近樞軸，其優(yōu)點(diǎn)是在鏟刀升降時(shí)，特別是鏟掘深度有變化時(shí)，可使推土鏟的切削角變化較小,結(jié)合國(guó)內(nèi)外推土機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，一般耳軸離驅(qū)動(dòng)輪軸線的長(zhǎng)度為主機(jī)全長(zhǎng)的1/3左右。

2.6 鏟刀材質(zhì)

鏟刀的推桿框架等焊接結(jié)構(gòu)件一般選Q235、Q345等普通碳鋼材料，這些材料在保證整體強(qiáng)度的同時(shí)具有良好的焊接性，易于購(gòu)買。鏟刀的弧形板選用耐磨性好的NM360、NM400等高強(qiáng)鋼板，同時(shí)為增加耐磨量，通常會(huì)設(shè)計(jì)兩層弧形板，通過(guò)焊接使兩層弧形板緊貼在一起。刀角、刀片一般選取耐磨性好的31Si2CrMoB，其屈服強(qiáng)度能達(dá)到1 620MPa，是目前應(yīng)用廣泛、比較理想的齒尖鑄鍛材料。

3 超級(jí)鏟的主要結(jié)構(gòu)型式及參數(shù)

超級(jí)鏟刀是指兼顧直傾鏟和U型鏟作業(yè)特點(diǎn)的新型結(jié)構(gòu)鏟刀，具有較高的比推力及強(qiáng)大的集土、運(yùn)土能力，其生產(chǎn)效率高，主要在大功率（一般指發(fā)動(dòng)機(jī)功率在350kW以上）推土機(jī)上使用。

3.1 結(jié)構(gòu)形式

推土機(jī)超級(jí)鏟的結(jié)構(gòu)組成如圖2所示，且本文中的推土機(jī)超級(jí)鏟刀安裝采用固定式。

圖2 超級(jí)鏟

這種結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比不僅采用了雙傾斜油缸，操作者可以直接操作工作手柄實(shí)現(xiàn)鏟刀的切削角和傾斜角的變化，大大降低操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度；而且鏟刀前擋板采用了獨(dú)特的設(shè)計(jì)，如圖3所示，中間弧形板較高，兩側(cè)側(cè)板上緣設(shè)計(jì)柵欄結(jié)構(gòu)。中間較高的弧形板增加了超級(jí)鏟的容量和前翻效率；兩側(cè)柵欄可以擋住大塊物料的后翻，駕駛員可以透過(guò)兩側(cè)柵欄看到更大的視野空間，降低駕駛員的視野盲區(qū)，提高操作安全性，從而提高整機(jī)作業(yè)效率。

圖3 超級(jí)鏟刀前視圖

3.2 超級(jí)鏟刀的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

大功率推土機(jī)作業(yè)強(qiáng)度高，為保證足夠強(qiáng)度和剛度，超級(jí)鏟刀采用閉式推土板結(jié)構(gòu)。根據(jù)大功率推土機(jī)推土鏟的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和針對(duì)性工況分析，我們確定某一大功率推土機(jī)鏟刀的主要參數(shù)如表1。

表1 某型推土機(jī)超級(jí)鏟刀的主要參數(shù)

4 超級(jí)鏟與傳統(tǒng)鏟作業(yè)性能對(duì)比

4.1 超級(jí)鏟優(yōu)勢(shì)

本文根據(jù)大功率推土機(jī)的特殊工況對(duì)超級(jí)鏟進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，其超級(jí)鏟刀具有特殊的形狀和結(jié)構(gòu)，使其作業(yè)時(shí)與傳統(tǒng)的鏟刀相比有較大優(yōu)勢(shì)：①超級(jí)鏟刀刀片受力均勻，并且從左右兩側(cè)溢流出的作業(yè)物料大大減少；②采用雙傾斜油缸，操作者可根據(jù)作業(yè)時(shí)鏟土、卸載、運(yùn)載等不同的作業(yè)方式調(diào)整鏟刀的傾斜角（見(jiàn)圖4），可在短時(shí)間內(nèi)以較少的燃油消耗獲得較大的挖掘量和集土量，與同功率配置傳統(tǒng)半U(xiǎn)鏟刀的推土機(jī)相比其工作效率提高15%～20%（見(jiàn)圖5）。

圖4 超級(jí)鏟刀與傳統(tǒng)鏟刀作業(yè)方式對(duì)比

圖5 超級(jí)鏟刀容量與傳統(tǒng)鏟刀容量對(duì)比

4.2 超級(jí)鏟生產(chǎn)率

超級(jí)鏟作業(yè)生產(chǎn)率計(jì)算（按運(yùn)距為40m計(jì)算）

式中，q是每鏟推土量，取28.8m3；kB是推土機(jī)作業(yè)時(shí)間利用系數(shù)，取kB=0.85；ky是坡度作業(yè)影響系數(shù)，取ky=1.0；T是一個(gè)推土周期循環(huán)時(shí)間（s）。

假設(shè)推土機(jī)以前進(jìn)一擋切土、運(yùn)土作業(yè)，后退三檔返回作業(yè)，則式中，l1是切土距離，取6m；l2是運(yùn)土距離，取34m；v1是切土行駛速度，取0.97m/s；v2是運(yùn)土行駛速度，取0.97m/s；v4是返回速度，取3.97m/s；t5是推土機(jī)調(diào)頭時(shí)間，取t5＝0；t6是換擋時(shí)間，取t6＝3s；t7是鏟刀下落時(shí)間，取t7＝2s。

通過(guò)本超級(jí)鏟刀樣機(jī)的裝機(jī)試制，及對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證（見(jiàn)表2），此款鏟刀的生產(chǎn)率比傳統(tǒng)鏟刀提高15%～20%左右。

表2 超級(jí)鏟刀和傳統(tǒng)半U(xiǎn)鏟刀生產(chǎn)率對(duì)比

5 結(jié) 論

推土機(jī)鏟刀作業(yè)時(shí)受力是復(fù)雜多變的，并無(wú)規(guī)律可循，故推土機(jī)鏟刀的設(shè)計(jì)參數(shù)往往是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式并結(jié)合實(shí)驗(yàn)得到的，而本文中則是基于以上原則對(duì)推土機(jī)超級(jí)鏟設(shè)計(jì)方法進(jìn)行的研究。本文中提出的超級(jí)鏟是綜合考慮了傳統(tǒng)直傾鏟和U型鏟等鏟刀的優(yōu)缺點(diǎn)開(kāi)發(fā)出的全新結(jié)構(gòu)的推土鏟。本超級(jí)鏟的設(shè)計(jì)參數(shù)會(huì)隨推土機(jī)功率的變化及作業(yè)物料的變化而有所改變，最終產(chǎn)品則需要通過(guò)不斷的建模，實(shí)驗(yàn)，試制，驗(yàn)證。本文中采用的設(shè)計(jì)理念提供了此項(xiàng)新結(jié)構(gòu)鏟刀參數(shù)的確定

圖6 超級(jí)鏟推土驗(yàn)證

方法和思路，同時(shí)為同類產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供了借鑒依據(jù)。

[參考文獻(xiàn)]

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（編輯 吳學(xué)松）

［中圖分類號(hào)］TU623

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］B

［文章編號(hào)］1001-1366(2015)03-0032-04

［收稿日期］2015-01-05

Design and analysis of bulldozer super shovel