大功率推土機(jī)U型鏟設(shè)計(jì)

（山推工程機(jī)械股份有限公司，山東 濟(jì)寧 272073）

推土機(jī)是使用較為廣泛的土石方轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械，主要應(yīng)用于大型煤礦、采石場(chǎng)、建筑、水利工程等大型項(xiàng)目。經(jīng)過多年的實(shí)際使用，推土機(jī)生產(chǎn)廠家開發(fā)出了多種型式的鏟刀，歸納起來主要有角鏟、直傾鏟以及半U(xiǎn) 鏟/U 鏟。中大功率的推土機(jī)主要適配半U(xiǎn) 鏟或U 鏟。中大功率推土機(jī)適配的U 鏟需根據(jù)推土機(jī)功率、整機(jī)工作重量確定其鏟刀容量等各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，其中鏟刀容量也受施工工況影響。

1 推土鏟的種類及U鏟安裝型式

1.1 推土鏟的種類

根據(jù)工況和輸出功率的不同，推土機(jī)主要適配角鏟、直傾鏟及半U(xiǎn) 鏟。角鏟容量較小主要用于場(chǎng)地平整，適配小功率推土機(jī)。直傾鏟的切削力較大，適用于硬質(zhì)工況，因其兩側(cè)漏土嚴(yán)重不適用大功率推土機(jī)。半U(xiǎn) 鏟主要適配大功率推土機(jī)，其鏟容量大，具有強(qiáng)大的集土運(yùn)土能力，生產(chǎn)率高；雖切削力略有降低，大功率推土機(jī)重量大，功率高，動(dòng)力強(qiáng)勁，并標(biāo)配松土器，對(duì)于硬質(zhì)工況可先使用松土器松土后在進(jìn)行土石方轉(zhuǎn)運(yùn)。因此對(duì)于推土鏟的選取需要根據(jù)實(shí)際工況以及推土機(jī)整機(jī)功率考慮。為了提高推土機(jī)的生產(chǎn)率可開發(fā)一款更大容量的推土鏟來適配相應(yīng)工況。

1.2 U型鏟的結(jié)構(gòu)型式

在同功率段上U 型鏟比半U(xiǎn) 鏟容量更大。為提高推土機(jī)的生產(chǎn)率開發(fā)了U 型鏟，保證鏟刀的通用性，半U(xiǎn) 鏟與U 鏟各安裝絞點(diǎn)保持一致。該大功率推土機(jī)用U 型鏟具有調(diào)節(jié)鏟刀入土角度的功能，可根據(jù)不同工況調(diào)節(jié)鏟刀刀角的入土深度，分為單傾斜和雙傾斜。單傾斜為保持一側(cè)傾斜油缸不同使另一側(cè)油缸動(dòng)作完成傾斜的調(diào)整；雙傾斜為兩側(cè)傾斜油缸同時(shí)動(dòng)作且方向相反，能夠增大刀角的調(diào)節(jié)范圍，可根據(jù)不同工況進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖1 為U 型鏟結(jié)構(gòu)及安裝型式。

圖1 U型鏟結(jié)構(gòu)及安裝型式

2 U型鏟參數(shù)的設(shè)計(jì)

2.1 鏟刀容量的設(shè)計(jì)

鏟刀容量是推土機(jī)的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，其容量V主要與整機(jī)重量、發(fā)動(dòng)機(jī)凈功率以及土壤的密實(shí)度有關(guān)。推土機(jī)的作業(yè)過程由鏟土、運(yùn)土、回程三部分組成，利用運(yùn)土過程來分析整機(jī)重量、發(fā)動(dòng)機(jī)凈功率及土壤的密實(shí)度與鏟刀容量的匹配。

鏟刀容量與推土機(jī)生產(chǎn)率的匹配計(jì)算如式（1)

式中NT——推土機(jī)鏟掘運(yùn)輸土壤的牽引功率，kW；

VF——鏟土、運(yùn)土行程速度，km/h；

tF——推土機(jī)推土行程所需時(shí)間，s；

C——比例系數(shù)；

Kt——時(shí)間利用系數(shù)，Kt=0.85～0.9；

Kl——土壤漏損系數(shù)，Kl=0.7～0.95（粘性土壤）；

Kp——坡度影響系數(shù)，Kp=0.5～1.0；

T——作業(yè)循環(huán)時(shí)間，s。

若取運(yùn)距l(xiāng)=20m；某大功率推土機(jī)額定作業(yè)速度VF=1.5km/h，容量公式可簡(jiǎn)化為式（2)

式中C——比例系數(shù)，C=1/1000；

NT——凈功率，kW。

通過上式可對(duì)對(duì)鏟刀容量和機(jī)械牽引功率進(jìn)行初步匹配計(jì)算。

2.2 鏟刀重量的設(shè)計(jì)

推土鏟作為推土機(jī)的首要工作裝置，其安裝在推土機(jī)前側(cè)；其重量對(duì)推土機(jī)行走穩(wěn)定性及生產(chǎn)效率有較大影響。首先如果推土鏟過重會(huì)造成整機(jī)重心靠前，容易造成翹尾，特別是在后退檔上坡時(shí)翹尾更為嚴(yán)重，會(huì)導(dǎo)致整機(jī)設(shè)備穩(wěn)定性不高；若推土鏟重量過輕，在推土鏟入土?xí)r切入力不足影響生產(chǎn)效率。根據(jù)大功率推土鏟以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)其總重量取整機(jī)重量（不包括松土器）10%～15%[1]。

2.3 U型鏟高度的設(shè)計(jì)

圖2 為U 型鏟外形尺寸。推土鏟高度具體指鏟刀支地，沿地面垂直方向向上測(cè)量出鏟刀高稱為推土鏟高度Hg，Hg可根據(jù)其經(jīng)驗(yàn)公式確定[2]

式中PH——推土機(jī)額定有效牽引力，kN。

圖2 U型鏟外形尺寸

2.4 U型鏟寬度設(shè)計(jì)

推土鏟安裝在整機(jī)前側(cè)，必須具備自身開辟道路的能力，因此推土鏟寬度Bg必須大于其整機(jī)寬度外沿，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定[3]

2.5 U型鏟曲率半徑的設(shè)計(jì)

U 型鏟的曲率半徑Rg是鏟刀的重要參數(shù)之一，直接影響推土機(jī)的作業(yè)性能。Rg主要取決于是否能將鏟刀內(nèi)的土石方順利向前翻轉(zhuǎn)，防止溢出鏟刀頂部；另外要盡量減小土石方在鏟刀內(nèi)的上升阻力及確保卸土干凈。綜合以上影響因素可確定U 型鏟曲率半徑Rg與其高度Hg的關(guān)系為Rg=（0.8～0.9)Hg。

2.6 兩側(cè)推土板與中間推土板夾角α設(shè)計(jì)

由土槽切削試驗(yàn)可知α越小土的側(cè)移阻力越大，受到U 鏟的容量的限制α不能過小，α的計(jì)算公式一般按式（5)得出

式中φ——水平面內(nèi)推土板與推土機(jī)縱軸線的夾角，φ=60°～90°。

3 U型鏟優(yōu)化分析

3.1 鏟刀容量校核

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)推土鏟容量的校核計(jì)算方法是假設(shè)推土鏟的表面是垂直直板。推土鏟處于前后傾角的中間位置，切削角置于基準(zhǔn)地平面上，推土鏟向垂直地面且過推土鏟中間切削刃平行平面投影的面積[4]。圖3 為容量計(jì)算示意尺寸圖。

為了計(jì)算U 型鏟容量，簡(jiǎn)化U 型鏟為Bg和Hg包容的垂直平面。U 型鏟容量校核按式（6)計(jì)算

3.2 U型鏟結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

圖3 容量計(jì)算示意尺寸圖

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)完成某大功率推土機(jī)適配的U型鏟設(shè)計(jì)，根據(jù)國標(biāo)容量公式對(duì)容量進(jìn)行校核，與設(shè)定值基本保持一致。利用仿真軟件對(duì)鏟刀結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，結(jié)果如表1 所示。

表1 典型工況負(fù)載沖擊

1）正載沖擊工況分析（圖4） 此工況下，應(yīng)力較大區(qū)域主要集中在左托架附近位置，其中應(yīng)力最大處在左側(cè)立板下部，最大應(yīng)力為111MPa。

圖4 正載沖擊

2）偏載沖擊工況分析（圖5） 此工況下，應(yīng)力較大區(qū)域主要集中在左托架附近位置，其中應(yīng)力最大處在左側(cè)立板下部，最大應(yīng)力為383MPa。

圖5 偏載沖擊

針對(duì)鏟刀左右立板下部應(yīng)力較高的問題，在鏟刀左右兩托架處給增加兩處筋板，上部托架處各增加一處筋板（圖6）。增加筋板后與原結(jié)構(gòu)應(yīng)力對(duì)比正載沖擊由111MPa 降低至82MPa，偏載沖擊由383MPa 降低至260MPa。

圖6 U型鏟增加筋板

4 結(jié)論

U 型鏟主要依據(jù)推土機(jī)功率和工況進(jìn)行設(shè)計(jì)，初步確定鏟刀的容量、重量、外形尺寸等參數(shù)，并通過模型數(shù)據(jù)分析及驗(yàn)證優(yōu)化各項(xiàng)參數(shù)。另外應(yīng)確保與其他型式鏟刀安裝絞點(diǎn)一致，保證不同型式推土鏟的通用性，根據(jù)實(shí)際工況選配不同推土鏟。因工況復(fù)雜多變，并未發(fā)布U 型鏟相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，其各主要參數(shù)主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際工況總結(jié)得出，本文提供了U 型鏟各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)的設(shè)計(jì)方法和思路。