推土機(jī)梳理鏟的設(shè)計(jì)開發(fā)

王清鍇，季有昌，金 丹

（1.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；2.山東科技職業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系，山東 濰坊 261053）

0 引 言

推土機(jī)根據(jù)功能可分為工業(yè)用推土機(jī)和農(nóng)業(yè)用推土機(jī)。這兩種推土機(jī)可配置的鏟刀類型除了常見的直傾鏟、角鏟、U型鏟、半U(xiǎn)型鏟等，還可配置特殊用途的鏟刀，如推煤鏟、環(huán)衛(wèi)鏟等。但是，上述所有的鏟刀作業(yè)時(shí)都是將推土鏟前側(cè)的物料清理掉。

在一些特殊的地區(qū)，如非洲、東南亞及南美洲的叢林地帶，人們?cè)谇謇淼孛娴桶墓嗄緟矔r(shí)，往往想清理的僅僅是灌木叢及土壤下面的根系，土壤則要保留下來，用于農(nóng)作物種植或建筑等其他用途，而傳統(tǒng)的推土機(jī)鏟刀只能完成鏟、推、耙等的工作，很難將灌木叢、荊棘、樹根等清理掉的同時(shí)漏出不需要清除的泥土、雜物等。

基于此，本文開發(fā)一款專用于灌木叢、荊棘、樹根等雜物清理的鏟刀。

1 推土機(jī)鏟刀的分類

推土機(jī)鏟刀可分為常規(guī)鏟刀和變形鏟刀。常規(guī)鏟刀有直傾鏟、角鏟、U型鏟等，而變形鏟刀主要有環(huán)衛(wèi)鏟、推煤鏟、伐木鏟等。

直傾鏟是專為連續(xù)進(jìn)行重切削作業(yè)而設(shè)計(jì)的，適用于短程或中距離的推土作業(yè)。鏟刀前側(cè)是有一定曲率的弧形板，推土?xí)r可使土壤滾翻升起，從而減少推土阻力。

角鏟是供斜鏟作業(yè)用，可左右擺動(dòng)25°安裝，這種鏟刀極其適用于修建公路和清理雜物等，可以方便地將物料推至公路兩邊。

推煤鏟外形似U型鏟，適宜作長(zhǎng)距離和大量的推土作業(yè)，具有強(qiáng)大的集土、運(yùn)土能力，廣泛用于煤場(chǎng)等松散物料的作業(yè)場(chǎng)所。

環(huán)衛(wèi)鏟在鏟刀上側(cè)增加?xùn)鸥瘢叨扔兴黾?，防止垃圾中的雜物（如鐵絲、腐蝕性物質(zhì)）進(jìn)入前機(jī)罩，損壞散熱器等部件。

2 梳理鏟刀的特點(diǎn)

2.1 梳理鏟的工作特點(diǎn)

梳理鏟刀從外觀來看像耙子，且兼顧摟耙和清理的作用，故稱為梳理鏟。

梳理鏟是一種特殊的前工作裝置，主要用于一些不需要鏟土運(yùn)輸?shù)奶厥夤r，如在森林里開荒清理地表時(shí)可將樹木推成成條狀的樹墻，每條樹墻的間距在100～150m左右，使用梳理鏟的主要目的是減少積累在樹墻上的地表土。另外，在一些叢林邊緣地帶進(jìn)行開荒種地時(shí)，用梳理鏟可在將灌林叢、荊棘、樹根等雜物清理掉的同時(shí)保留土壤。

2.2 梳理鏟刀片的受力分析

梳理鏟刀一般有7～18個(gè)刀齒，每個(gè)刀齒的長(zhǎng)度和曲率相同，在作業(yè)時(shí)所有刀齒一起工作，且所有刀齒的受力均沿著車體前進(jìn)的方向，無(wú)側(cè)向分力，有利于發(fā)動(dòng)機(jī)牽引力的發(fā)揮?；谕寥狼邢骼碚撛O(shè)計(jì)出的梳理鏟鏟刀受力及傳統(tǒng)鏟刀受力如圖1所示［1］。

2.3 梳理鏟的結(jié)構(gòu)分類

梳理鏟與普通推土鏟的區(qū)別主要在鏟頭部分?？紤]到部件設(shè)計(jì)的通用性，梳理鏟刀鏟頭后部的連接座設(shè)計(jì)為與推土鏟刀連接座相同的結(jié)構(gòu)，方便與推土鏟刀互換，使同一臺(tái)推土機(jī)能適應(yīng)多種工況，提高推土機(jī)的使用率。

圖1 梳理鏟刀與傳統(tǒng)鏟刀刀片受力分布對(duì)比

梳理鏟的鏟頭按照齒桿的固定方式可分為焊接式和裝配式2類。焊接式齒桿是指將齒桿直接焊接在鏟頭框架上，裝配式齒桿則將齒桿通過螺栓、銷軸等方式安裝在鏟頭上。焊接式鏟頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零部件數(shù)量少，制造周期短且整體強(qiáng)度高；裝配式鏟頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件數(shù)量多，設(shè)計(jì)制造周期較長(zhǎng)，制造成本相對(duì)較高，但齒桿可更換性好，維修成本較低，如圖2所示。

圖2 兩種結(jié)構(gòu)梳理鏟對(duì)比

小型推土機(jī)梳理鏟結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，多為焊接式，制造簡(jiǎn)單，成本較低，刀齒數(shù)較少，多為7～10個(gè)齒桿；大中型推土機(jī)梳理鏟結(jié)構(gòu)形式多樣，齒數(shù)較多，且作業(yè)工況不同則齒數(shù)不同，一般為14～18個(gè)。

3 梳理鏟設(shè)計(jì)

3.1 梳理鏟鏟頭結(jié)構(gòu)

梳理鏟鏟頭下部均勻布置一定數(shù)量的齒桿，齒桿直接接觸物料，是直接受力部分，因此齒桿的設(shè)計(jì)需要有足夠的強(qiáng)度。梳理鏟的齒桿一般選擇鑄件或由高強(qiáng)度厚鋼板加工而成。為了保證強(qiáng)度，設(shè)計(jì)時(shí)需進(jìn)行優(yōu)化分析，以選取最優(yōu)的結(jié)構(gòu)。

梳理鏟頭設(shè)計(jì)有上、下橫梁，起支撐齒桿的作用，下橫梁同時(shí)承受彎曲和剪切應(yīng)力，受力較大，應(yīng)具有較高強(qiáng)度及較大的截面，上橫梁可直接選用現(xiàn)有的異型鋼管。

梳理鏟的鏟頭本體按照上、下橫梁的位置，可分為上部、中部、下部3部分，上部為護(hù)欄部分，避免前方高大的樹枝、樹杈等物體進(jìn)入前機(jī)罩，破壞散熱器等，起防護(hù)推土機(jī)的作用；中部為漏土、堆積部分，起漏出雜草、泥土等不需要清理物料的作用；下部為梳齒部分，梳齒切入地面，清挖灌木叢、荊棘、樹根等有一定深度的掩埋物，起切削、分土、漏土作用。梳理鏟鏟刀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 梳理鏟刀結(jié)構(gòu)

齒桿設(shè)計(jì)時(shí)，除了要求材料硬度高、耐磨性強(qiáng)，齒桿長(zhǎng)度也要適中，并有較高的屈服強(qiáng)度，否則容易變形。實(shí)際作業(yè)時(shí)，齒桿之間往往增加圓鋼連接，圓鋼與齒套上部距離20cm左右，雖然圓鋼增大了入土阻力，但可減少齒桿變形，提高鏟頭的使用壽命。另外，為了方便樹木堆積鏟運(yùn)，齒桿前端面應(yīng)設(shè)計(jì)為圓弧形。

齒套通過銷軸與齒桿配合，安裝在齒桿的最下端。齒套與土壤直接接觸，磨損較快，因此壽命很短，要經(jīng)常更換，齒套的設(shè)計(jì)除了要求材料有較強(qiáng)的抗磨損性能外，在結(jié)構(gòu)上應(yīng)盡可能方便拆裝且連接可靠。

3.2 梳理鏟鏟頭參數(shù)設(shè)計(jì)

梳理鏟鏟頭的幾何形狀對(duì)于梳理效率、切削阻力及運(yùn)輸性能等都有決定性影響。因此，鏟頭結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

3.2.1 切削角δ和后角α

切削角δ是鏟刀支地時(shí)齒套前面與地面間的夾角，又被稱為入土角度，減小入土角度能降低切土阻力。試驗(yàn)表明，當(dāng)δ在一定范圍時(shí)，隨著鏟刀前方土壤厚度的增加，鏟刀附近的土壤會(huì)給鏟刀施加一個(gè)向下的壓力，此壓力可提高推土機(jī)與地面間的附著力，改善牽引性能。但是，過小的入土角度會(huì)導(dǎo)致鏟刀的刃尖角度太小，降低鏟刀的強(qiáng)度［2－4］。后角α是齒套后面與地平面的夾角。α一般不小于30°，否則由于地面的起伏會(huì)出現(xiàn)齒尖背后接地現(xiàn)象，從而增加摩擦阻力，降低切削能力，一般取α＝45°。切削角δ和后角α如圖4所示。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δ取45°～65°。

圖4 梳理鏟切削角δ和后角α

3.2.2 鏟刀寬度W

固定式推土鏟的寬度比左右履帶最外側(cè)各寬出約10mm。對(duì)于回轉(zhuǎn)式推土鏟，要保證在其回轉(zhuǎn)到極限位置時(shí)，沿推土機(jī)縱向軸線方向看去，推土鏟的投影寬度仍每端比履帶最外緣寬出約100mm。這種寬出量是為了保證在鏟除作業(yè)過程中推土機(jī)能同時(shí)開辟前進(jìn)的道路，從而保證作業(yè)質(zhì)量。固定式推土鏟寬度

式中：W1為履帶最外緣寬度。

3.2.3 鏟刀高度 H

鏟刀高度由以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算確定［5］。

式中：PK為為推土機(jī)有效牽引力，PK取0.94～1.06GS，GS為推土機(jī)的使用質(zhì)量。

考慮梳理鏟的實(shí)際工況，鏟刀上側(cè)需增加?xùn)鸥?，防止樹桿、樹枝等長(zhǎng)的物體進(jìn)入前機(jī)罩內(nèi)，因此鏟刀高度相應(yīng)增大。

3.2.4 其他參數(shù)

梳理鏟其他參數(shù)包括齒數(shù)n、齒桿間距b1、齒桿工作高度H1、齒桿厚度t、齒套寬度b，如圖5所示。

圖5 梳理鏟頭其他參數(shù)

梳理鏟齒數(shù)n，即齒桿或齒套的數(shù)量，一般要綜合考慮該推土機(jī)的工作對(duì)象、功率或牽引力而定。小型推土機(jī)梳理鏟齒數(shù)多為7～10個(gè)，大中型推土機(jī)齒數(shù)多為14～18個(gè)。

齒桿間距b1直接影響作業(yè)性能，齒桿間距與齒數(shù)相對(duì)應(yīng)，應(yīng)根據(jù)工況及結(jié)構(gòu)綜合考慮，間距過大，無(wú)法起到清理較小樹木、灌木叢等雜物的作用，并且梳理鏟強(qiáng)度??；間距過小，則不易從齒間漏土，梳理效果不佳，影響工作效率。根據(jù)實(shí)際工況，一般取間距b1＝200mm。

齒桿工作高度H1是指下橫梁下邊緣到齒尖的距離，即實(shí)際工作中齒桿的入土切削深度，其尺寸約為齒桿總高度的30%，即H1＝30%H＝645mm。

對(duì)于焊接式齒桿，板材厚度t一般取40～50mm。齒套嵌套在齒桿上，其寬度b與齒桿板厚t直接相關(guān)，同時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮不同工況的特點(diǎn)、工藝成本等因素。齒套太薄，會(huì)縮短使用壽命；齒套太厚，會(huì)增大切土阻力，并增加生產(chǎn)成本。一般工況時(shí)b＝1.6t＝1.6×45＝72mm。

綜上所述，某大型推土機(jī)梳理鏟主要參數(shù)如表1所示。

表1 梳理鏟主要參數(shù)匯總

3.3 梳理鏟三維模型

設(shè)計(jì)完成后用Creo軟件建立的梳理鏟三維模型如圖6所示。

圖6 梳理鏟三維模型

3.4 梳理鏟鏟刀材料的選擇

與普通的推土鏟一樣，梳理鏟的推桿方盒和鏟頭框架等焊接結(jié)構(gòu)件一般選用Q235A、Q345A、Q460C等普通碳鋼材料，這些材料不但能保證整體強(qiáng)度的需求，具有良好的可焊接性，而且方便購(gòu)買［6］。

焊接式齒桿多選用耐磨性能好的NM360、NM400等高強(qiáng)鋼板材料，該材料特點(diǎn)是抗拉強(qiáng)度高、耐磨性好且焊接性能良好；裝配式齒桿多為鑄件或鍛造件，齒尖部位往往不需要鑲嵌齒套，因此多采用含硼的合金淬透性鋼，如31Si2CrMoB，這類材料淬透性好，材料熱處理后的硬度高，耐磨性能高，抗沖擊性能好。

齒套設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮方便更換，可采用NM360鋼板焊接，該材料強(qiáng)度及耐磨性高，焊接性能好，綜合成本相對(duì)較低。作業(yè)前，用戶可準(zhǔn)備一定數(shù)量的齒套，以便損壞時(shí)及時(shí)更換，不至影響正常作業(yè)。

4 梳理鏟試制產(chǎn)品驗(yàn)證

將梳理鏟試制產(chǎn)品裝配到整機(jī)進(jìn)行作業(yè)驗(yàn)證，其梳理效果良好，滿足用戶的使用要求，受到了客戶一致好評(píng)。梳理鏟的成功研制，擴(kuò)展了推土機(jī)的適用工況范圍，增加了推土機(jī)的賣點(diǎn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

梳理鏟作為應(yīng)用于特殊工況的鏟刀，設(shè)計(jì)參數(shù)并無(wú)現(xiàn)成規(guī)律而循，筆者基于多年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并通過試驗(yàn)獲得參數(shù)取值。樣機(jī)試驗(yàn)證明，梳理鏟梳理效果明顯，能滿足用戶的作業(yè)需求。

推土機(jī)梳理鏟的設(shè)計(jì)在考慮文中所述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、參數(shù)選擇的同時(shí)，還應(yīng)就各連接部位的受力情況、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工藝性、鏟頭上部護(hù)柵密度等問題綜合考慮。只有充分考慮推土機(jī)作業(yè)時(shí)的各種工況，結(jié)合推土機(jī)自身的特點(diǎn)，才能設(shè)計(jì)出適合實(shí)際作業(yè)需求的產(chǎn)品。本文提供的設(shè)計(jì)理念可為同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供借鑒依據(jù)和開發(fā)思路。