推土機松土器結(jié)構(gòu)改進與動力學分析

李曉旺，鞠長清，李華強

(1.內(nèi)蒙古仲泰能源有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

0 引言

松土器是推土機工作裝置的一種，它懸掛在推土機的后橋殼體上，作為輔助工作裝置主要用于松土作業(yè)，不僅用于煤礦、鹽礦、礫石、堅硬巖石作業(yè)面的剝離，也可用于硬化凍土、黏土等土層的松軟。隨著現(xiàn)代煤礦等土方工程的機械化和推土機的大型化，推土機松土器的使用也越來越普遍，甚至可部分代替鉆孔爆破施工。本文對推土機松土器結(jié)構(gòu)進行了改進和動力學分析。

1 原松土器結(jié)構(gòu)分析

D11T推土機松土器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由支撐架、橫梁、松土齒、兩個傾斜缸和提升缸組成，連接方式為銷連接。該裝置通過傾斜缸來改變松土角達到適合的工作位置，由提升缸來調(diào)節(jié)松土深度。

1-橫梁；2-松土齒；3-銷子；4-提升缸；5-支撐架；6-后橋殼體；7-傾斜缸

原裝置普遍存在以下問題：

(1)松土齒調(diào)整安裝不方便。原松土齒是通過輔助液壓缸推動壓桿連接銷，與橫梁和松土齒銷孔定位安裝。安裝時，由于構(gòu)件自重較大，安裝調(diào)整不方便。

(2)松土齒伸縮不能任意調(diào)節(jié)。原松土齒伸縮只能根據(jù)松土齒上孔距進行調(diào)節(jié)，而在該裝置工作過程中，當對高處煤層或巖石進行破碎和挖掘時，需縮短松土齒；對地面以下煤層或巖石進行作業(yè)時，要求松土齒伸長；有時需在松土過程中不斷調(diào)節(jié)挖掘深度，要求裝置能實時調(diào)節(jié)齒的伸縮量?？傊?，原松土齒伸縮在很大程度上給工作和操作人員帶來不便，需對該裝置進行合理改進，擴大其有效工作范圍和使用靈活性，滿足實際生產(chǎn)需求。

2 改進裝置分析

2.1 改進后結(jié)構(gòu)

通過分析實際需求，將原裝置松土齒銷孔連接改成調(diào)整缸的升降方式，如圖2所示。將調(diào)整缸活塞桿端與松土齒頂部銷孔連接，通過橫梁上底座固定調(diào)整缸，由調(diào)整缸實現(xiàn)對松土齒的自由伸縮。松土齒在工作時容易晃動，調(diào)整缸選擇耳軸式液壓缸，避免損壞調(diào)整缸。

通過改進連接結(jié)構(gòu)，在調(diào)整缸的帶動下，松土齒可以在橫梁中自由伸縮，實現(xiàn)松土齒伸縮實時調(diào)整，解決了原裝置存在的問題。

2.2 松土器運動學分析

根據(jù)原松土器提升缸、傾斜缸結(jié)構(gòu)尺寸和松土齒調(diào)整尺寸，理論分析松土器最大挖掘深度和松土軌跡包絡線，提升缸的伸縮量為610 mm，傾斜缸的伸縮量為830 mm，調(diào)整缸的伸縮量為860 mm。

利用ADAMS軟件在改進的松土器模型所有轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)處添加轉(zhuǎn)動副，在提升缸、傾斜缸和調(diào)整缸的缸筒與活塞桿之間添加移動副。

1-橫梁；2-松土齒；3-支撐架；4-后橋殼體；5-傾斜缸；6-支座；7-耳子；8-調(diào)整缸；9-提升缸

對提升缸、傾斜缸和調(diào)整缸編輯器添加相應位移控制參數(shù)。提升缸位移參數(shù)為：step(time,0,0,8,610)-step(time,12,0,16,350)。傾斜缸位移參數(shù)為：step(time,8,0,12,-830)+step(time,16,0,20,830)。調(diào)整缸位移參數(shù)為：step(time,0,0,3,860)。

圖3為松土齒齒尖軌跡包絡線，運動的整個過程為：從最高提升位置開始下降，提升缸和調(diào)整缸同時輸出，當調(diào)整缸伸出達到最大860 mm之后，松土齒齒尖到達A點，開始松土；當提升缸行程達到610 mm，齒尖到達B點，完成入土深度；此后傾斜缸完全輸出至830 mm，齒尖到達C點，完成刨土；最后提升缸返程運行350 mm，齒尖到達D點，松土器完成一個周期松土任務。當傾斜缸完全收回，齒尖又回到A點，整個過程最大松土深度達到了870 mm，橫向?qū)挾茸畲筮_到655 mm。因該松土器是在推土機上安裝工作的，橫向?qū)挾戎皇峭仆翙C靜止時的松土器理論值，最大松土深度才是松土器的重要性能指標。

2.3 松土器動力學分析

利用ADAMS軟件對松土器挖掘力進行分析，推土機液壓溢流壓力為32 MPa，在分析過程中傾斜缸始終不作用，根據(jù)松土器提升缸活塞尺寸，計算系統(tǒng)最大壓力下松土齒對物體的作用力，也就是齒尖接觸物體時的最大破碎力，這是松土器設(shè)計的一個重要指標。

根據(jù)調(diào)整缸伸出長度不同，得出的松土齒對地面的作用力分別如圖4～圖12所示。

圖7 調(diào)整缸伸出350 mm時松土器的地面接觸力 圖8 調(diào)整缸伸出450 mm時松土器的地面接觸力 圖9 調(diào)整缸伸出550 mm時松土器的地面接觸力

圖10 調(diào)整缸伸出650 mm時松土器的地面接觸力 圖11 調(diào)整缸伸出750 mm時松土器的地面接觸力 圖12 調(diào)整缸伸出850 mm時松土器的地面接觸力

從圖4～圖12中可以看出，松土齒與地面剛接觸時有一個很大的碰撞力產(chǎn)生，之后松土齒和地面完全接觸，接觸作用力逐漸增加，從分析得到的數(shù)值上很明顯地看到，松土齒對地面的作用力很大，實際作業(yè)對象尤其是在鵝卵石、含有冰的各種巖石和煤層、結(jié)塊變硬的鹽礦等堅硬的工作區(qū)域的鏟除，均可以很輕松地將地表面土層或巖石層破壞，實現(xiàn)進一步對作業(yè)對象的深入挖掘。

將上述9次的松土齒伸出量與接觸作用力統(tǒng)計于表1中。

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，松土齒在不同的伸出量作用下，齒尖與地面的接觸力不同，基本趨勢為伸出量越大，松土齒對地面的作用力就越大。

表1 松土齒伸出量與接觸作用力

3 松土齒伸出量與地面接觸力關(guān)系分析

為進一步明確松土齒伸長量與接觸作用力之間的關(guān)系，下面利用MATLAB軟件進行分析。

在MATLAB軟件中使用樣條插值法，繪制出松土齒伸出量與地面接觸力之間的擬合曲線,描述系統(tǒng)壓力恒定的情況下，松土齒伸出長度不同時地面接觸力的變化情況。編制程序如下：

lz=[96314 96369 96933 97761 99281 99317 99719 97311 96996];%接觸力值

cd=[50 150 250 350 450 550 650 750 850];%伸出量

p1=polyfit(cd,lz,2);p2=polyfit(cd,lz,3);%擬合2次方和3次方

y1=polyval(p1,cd);y2=polyval(p2,cd);%擬合2次方和3次方函數(shù)系數(shù)

X1=50:850;

Y1=spline(cd,y1,X1)

Y2=spline(cd,y2,X1)

plot(cd,lz,X1,Y1,X1,Y2)%生成松土齒伸出量與地面接觸力圖像

依據(jù)上述程序生成如圖13所示曲線，分析所得數(shù)據(jù)和曲線可知：松土齒伸出的長度不同，齒尖與地面的接觸力不同，根據(jù)擬合的2次方接觸力函數(shù)和3次方接觸力函數(shù)可知，接觸力都呈現(xiàn)最大值峰值，近似為拋物線形狀。

圖13 松土齒伸出量與地面接觸力關(guān)系曲線

分析其結(jié)構(gòu):松土齒伸出長度不同，提升缸的作用力臂和地面接觸力力臂也在變化。該松土器伸出量為650 mm左右時提升缸與支撐架在后橋殼體上的連接中心線與提升缸垂直，即作用力臂達到最大，此時松土器對地面的破碎力最大。

4 小結(jié)

(1)通過結(jié)構(gòu)改進，在調(diào)整缸的帶動下，松土齒可以在橫梁中自由伸縮，實現(xiàn)松土齒伸縮實時調(diào)整，解決了原裝置存在的問題。

(2)對改進模型在ADAMS軟件中仿真得到齒尖運動的包絡線，驗證其松土深度和提升高度，得到其空間運動軌跡。

(3)基于ADAMS軟件對其在強制入土工況下松土齒不同伸長量時對地面作用力進行了分析研究，結(jié)果表明，松土齒的伸長量與對地面作用力的關(guān)系近似為拋物線形狀。