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1、 （2010屆） 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 履帶式推土機(jī)的設(shè)計(jì) 學(xué) 院（部）： 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué) 生 姓 名： 班 級(jí)： 指導(dǎo)教師姓名： 職稱 講師 最終評(píng)定成績(jī)

2、 2010 年 湖南工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 摘 要 推土機(jī)在土石方工程中被廣泛應(yīng)用，推土工作裝置是其承受工作載荷的主要部件，并將載荷傳遞至機(jī)體，受力情況非常惡劣。在復(fù)雜多變的工作外載荷作用下，分析計(jì)算推土工作裝置在不同工況、不同部位危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力分布，是設(shè)計(jì)推土機(jī)工作裝置所必需的。 本文進(jìn)行了推土機(jī)的總體設(shè)計(jì)、推土機(jī)重心計(jì)算、推土機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)工作裝置采用固定式直傾推

3、土鏟，雙液壓缸提升。根據(jù)任務(wù)書(shū)設(shè)計(jì)了鏟刀和推土板的主要尺寸，并使用CAD制圖軟件，更直觀的將設(shè)計(jì)體現(xiàn)出來(lái)。 本設(shè)計(jì)選擇了危險(xiǎn)工況和計(jì)算位置進(jìn)行了強(qiáng)度校核， 并借助計(jì)算機(jī)選取危險(xiǎn)截面進(jìn)行了有限元分析，對(duì)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。經(jīng)過(guò)校核，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，滿足使用要求。穩(wěn)定性分析中，是在切土作業(yè)和坡道運(yùn)行中進(jìn)行的分析。并根據(jù)受力情況對(duì)液壓缸進(jìn)行設(shè)計(jì)，得出相應(yīng)的缸體尺寸。 關(guān)鍵詞：推土機(jī)；工作裝置；液壓缸；強(qiáng)度校核；CAD制圖 ABSTRACT Bulldozers, works in the wide app

4、lication of earth-moving equipment, which working device load to bear the main components, and load transfer to the body, the force is very poor. In the complex and ever-changing work loads, the analysis blade equipment in different conditions. Dangerous point in different parts of the stress di

5、stribution is designed bulldozers work necessary for the device. This article was the overall design of bulldozers, bulldozers gravity calculations, bulldozer structure design. This design work of device used fixed straight inclined Dozer, dual hydraulic cylinder elevated. According to the task of

6、 spade and book design a blade of main dimensions, and use CAD software, more intuitive design.The design chosen the dangerous working conditions and calculate the position of strength check, and the use of computer selected dangerous cross-section of the finite element analysis, and cooperate th

7、e results of the analysis. After checking the rational design of the structure, it’s meet the requirement. Stability analysis, is cutting jobs and ramp runs in the analysis. And according to the force on the hydraulic cylinder design, draw the appropriate dimensions. Key words: bulldozers; workin

8、g device; hydraulic cylinders; check strength; CAD software 目 錄 第1章 緒論 1 1.1 推土機(jī)概述 1 1.1.1 履帶式推土機(jī)介紹 1 1.1.2 推土機(jī)的應(yīng)用 2 1.1.3 我國(guó)推土機(jī)產(chǎn)品的發(fā)展前景 2 1.1.4 推土機(jī)總體設(shè)計(jì)的任務(wù) 3 1.2 課題任務(wù) 3 1.3 課題背景和設(shè)計(jì)意義 3 第2章 推土機(jī)總體方案設(shè)計(jì) 5 2.1 各個(gè)機(jī)構(gòu)的選擇 5 2.1.1 動(dòng)力裝置 5 2.1.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 5 2.1

9、.3 行走機(jī)構(gòu) 6 2.1.4 工作裝置 6 2.1.5 液壓系統(tǒng) 6 2.2 推土機(jī)總體參數(shù)選擇 6 2.2.1 推土機(jī)重量和接地比壓 6 2.2.2 推土機(jī)的行走速度 7 2.2.3 鏟刀的垂直壓力和比壓入力 7 2.2.4 鏟刀的提升高度和切削深度 7 2.2.5 推土機(jī)生產(chǎn)率 7 第3章 推土機(jī)重心計(jì)算 9 4.1 重心位置分析 9 4.2 重心位置的確定 9 第4章 推土機(jī)工作裝置設(shè)計(jì) 11 4.1 工作裝置結(jié)構(gòu)類型 11 4.2 工作裝置主要參數(shù)及結(jié)構(gòu)尺寸的確定 12 4.2.1 鏟刀的高度和寬度 12

10、 4.2.2 推土板角度參數(shù)的選擇 12 4.2.3 推土板曲率半徑 14 4.2.4 推土板直線部分及擋土板尺寸 15 4.2.5 頂推架于臺(tái)車架的鉸點(diǎn)位置 15 4.2.6 鏟刀鋼板厚度 15 4.3 推土機(jī)工作裝置的強(qiáng)度計(jì)算 15 4.3.1 土壤的切削性能 15 4.3.2 推土機(jī)受力分析 16 4.3.3 推土機(jī)作業(yè)阻力計(jì)算 18 4.4 推土機(jī)鏟刀的強(qiáng)度計(jì)算 20 4.4.1 計(jì)算位置的確定（第一計(jì)算位置） 20 4.4.2 超靜定計(jì)算 20 4.4.3 斜撐桿強(qiáng)度計(jì)算 27 4.5 第三位置計(jì)算 28 4

11、.5.1 頂推架的強(qiáng)度計(jì)算 28 4.5.2 鉸銷軸強(qiáng)度計(jì)算 29 第5章 推土機(jī)的穩(wěn)定性計(jì)算 31 5.1 推土機(jī)切土作業(yè)的穩(wěn)定性 31 5.2 推土機(jī)坡道運(yùn)行的穩(wěn)定性 32 5.2.1 縱向穩(wěn)定性 32 5.2.2 橫向穩(wěn)定性 33 第6章 液壓缸設(shè)計(jì) 34 6.1 系統(tǒng)壓力的確定 34 6.2 計(jì)算油缸尺寸 34 結(jié)論 37 參考文獻(xiàn) 38 致謝 39 第一章 緒 論 1.1 推土機(jī)概述 1. 1.1履帶式推土機(jī)介紹 （1）.歷史介紹 履帶式推土機(jī)是由美國(guó)人Benjamin Holt在1904 年研制成功的，它是在

12、履帶式拖拉機(jī)前面安裝人力提升的推土裝置而形成，當(dāng)時(shí)的動(dòng)力是蒸汽機(jī)，之后又先后研制成功由天然氣動(dòng)力驅(qū)動(dòng)和汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)的履帶式推土機(jī)，推土鏟刀也由人力提升發(fā)展為鋼絲繩提升。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，目前推土機(jī)動(dòng)力已經(jīng)全部采用柴油機(jī)，推土鏟刀和松土器全部由液壓缸提升。推土機(jī)除履帶式推土機(jī)外，還有輪胎式推土機(jī)，它的出現(xiàn)要比履帶式推土機(jī)晚十年左右。我國(guó)生產(chǎn)推土機(jī)，是新中國(guó)成立以后才開(kāi)始的。 （2）.推土機(jī)分類 按行走方式，推土機(jī)可分為履帶式和輪胎式兩種。履帶式推土機(jī)附著牽引力大，接地比壓小(0.04一0.13MPa)，爬坡能力強(qiáng)，但行駛速度低。輪胎式推土機(jī)行駛速度高，機(jī)動(dòng)靈活，作業(yè)循環(huán)時(shí)間短，運(yùn)輸轉(zhuǎn)移方便，

13、但牽引力小，適用于需經(jīng)常變換工地和野外工作的情況。 按用途可分為通用型及專用型兩種。通用型是按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)的機(jī)型，廣泛用于土石方工程中。專用型用于特定的工況下，有采用三角形寬履帶板以降低接地比壓的濕地推土機(jī)和沼澤地推土機(jī)、水陸兩用推土機(jī)、水下推土機(jī)、船艙推土機(jī)、無(wú)人駕駛推土機(jī)、高原型和高濕工況下作業(yè)的推土機(jī)等。 我國(guó)目前生產(chǎn)的主要是通用型推土機(jī)、濕地型推土機(jī)以及適應(yīng)西部大開(kāi)發(fā)達(dá)高原型推土機(jī)。經(jīng)歷了20多年的穩(wěn)步發(fā)展，目前我國(guó)推土機(jī)行業(yè)已形成從59kW(80馬力，山推的SD08推土機(jī)，在5.12汶川地震中，由俄羅斯米-26直升機(jī)吊起到施工現(xiàn)場(chǎng))到309kW(420馬力，為山推近年來(lái)開(kāi)發(fā)的S

14、D42推土機(jī)，主要出口到俄羅斯，另?yè)?jù)山推內(nèi)部消息，機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、工作裝置、電氣部分、駕駛室和機(jī)罩等組成。其中，機(jī)械及液壓傳動(dòng)系統(tǒng)又包括液力變矩器、聯(lián)軸器總成、行星齒輪式動(dòng)力換擋變速器、中央傳動(dòng)、轉(zhuǎn)向離合器和轉(zhuǎn)向制動(dòng)器、終傳動(dòng)和行走系統(tǒng)等。 動(dòng)力輸出機(jī)構(gòu)以齒輪傳動(dòng)和花鍵連接的方式帶動(dòng)工作裝置液壓系統(tǒng)中工作泵、變速變矩液壓系統(tǒng)變速泵、轉(zhuǎn)向制動(dòng)液壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)向泵；鏈輪代表二級(jí)直齒齒輪傳動(dòng)的終傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（包括左和右終傳動(dòng)總成）；履帶板包括履帶總成、臺(tái)車架和懸掛裝置總成在內(nèi)的行走系統(tǒng)。 1.1.2推土機(jī)的應(yīng)用 推土機(jī)采用機(jī)械傳動(dòng)或帶液力變矩器的液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，也有少數(shù)采用液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。推土機(jī)是填埋場(chǎng)

15、應(yīng)用最為廣泛的機(jī)械。 主要功能是將垃圾從面只以山推工程機(jī)械股份有限公司產(chǎn)品為例作一介紹：其中的一些性能特點(diǎn)在選購(gòu)任何廠家的產(chǎn)品時(shí)可參考比較衛(wèi)型推土機(jī)，飛輪功率額定轉(zhuǎn)速操作質(zhì)量山推環(huán)衛(wèi)型推土機(jī)系列產(chǎn)品是山推工程機(jī)械股份有限公司，根據(jù)中國(guó)國(guó)情和我國(guó)城市生活垃圾散碎雜等具體情況，研制開(kāi)發(fā)的是按照市場(chǎng)需求并經(jīng)多次改進(jìn)反復(fù)試驗(yàn)生產(chǎn)的技術(shù)成熟，性能優(yōu)異的經(jīng)濟(jì)型推土機(jī)。變型機(jī)種按適用范圍可分為環(huán)衛(wèi)型推土機(jī)環(huán)衛(wèi)型推土機(jī)環(huán)衛(wèi)型推土機(jī)主要適用于垃圾場(chǎng)的填埋平整壓實(shí)堆積等工作也可用于牽引。 1.1.3我國(guó)推土機(jī)產(chǎn)品的發(fā)展前景 （1）.開(kāi)發(fā)小型推土機(jī) 　　與北美、西歐和日本市場(chǎng)相比，中國(guó)小型推土機(jī)市場(chǎng)無(wú)論

16、是銷量，還是小型推土機(jī)與重型推土機(jī)銷售總量中所占的比重，都有相當(dāng)大的差距。推土機(jī)行業(yè)必須借這次機(jī)遇，努力滿發(fā)展中國(guó)家開(kāi)發(fā)小型工程機(jī)械產(chǎn)品，其定位一定要準(zhǔn)。應(yīng)該用不同的技術(shù)、針對(duì)不同用戶群來(lái)解決定位準(zhǔn)的問(wèn)題。應(yīng)首先開(kāi)發(fā)滿足發(fā)達(dá)地區(qū)廣大農(nóng)村市場(chǎng)的低端產(chǎn)品。而高端產(chǎn)品更多應(yīng)考慮未來(lái)用戶的需求。 （2）.盡快完善和解決適應(yīng)西部高原地區(qū)作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù) 1、采用功率恢復(fù)型的增壓技術(shù)。 2、熱平衡技術(shù)。 　　3、防風(fēng)護(hù)設(shè)備及機(jī)具的配置。 　 5、低溫預(yù)熱系統(tǒng)的采用。 　　 6、多自由度推土裝置的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。 1.1.4 推土機(jī)總體設(shè)計(jì)的任務(wù) 根據(jù)所要設(shè)計(jì)的推土機(jī)的主要用途、作業(yè)條件、制

17、造情況等全名正確的確定影響整機(jī)性能的主要參數(shù)要性能參數(shù)。 （3）按總體性能要求，確定各總成主要參數(shù)及相互之間的關(guān)系。 （4）進(jìn)行必要的總體計(jì)算。 （5）繪制整機(jī)尺寸鏈圖及總圖。 （6）輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 總體設(shè)計(jì)對(duì)整的，但組合在一起不一定能取得良好的的效果。因此在總體設(shè)計(jì)中，各總成要相互協(xié)調(diào)，不能片面強(qiáng)調(diào)某一局部，必須從整機(jī)出發(fā)全面考慮，從而獲得較高的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。 1.2 課題任務(wù) 本設(shè)計(jì)題目進(jìn)行推計(jì)算，最后進(jìn)行鏟斗的三維設(shè)計(jì)。 1.3 課題背景和設(shè)計(jì)意義 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，競(jìng)爭(zhēng)無(wú)處不在，現(xiàn)在對(duì)學(xué)生的要求越來(lái)越高，不僅對(duì)學(xué)生的理論要求提高了，而且對(duì)學(xué)生的動(dòng)手能力的要

18、求也有所提高，而這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)就是對(duì)學(xué)生的理論實(shí)踐能用了結(jié)構(gòu)力學(xué)的知識(shí)，提高學(xué)生對(duì)軟件的應(yīng)用能力。 第二章 推土機(jī)總體方案設(shè)計(jì) 2.1各個(gè)機(jī)構(gòu)的選擇 推土機(jī)總體結(jié)構(gòu)包括動(dòng)力裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、工作裝置、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和駕駛室等。 2.1.1 動(dòng)力裝置 推土機(jī)的工作特點(diǎn)是在戶外連續(xù)作業(yè)，且阻力時(shí)常變化，宜選取 12 小時(shí)功率作為發(fā)動(dòng)機(jī)裝車的標(biāo)定功率，轉(zhuǎn)速在1800～2000r/min之間，功率為120kw，速度適應(yīng)系數(shù)應(yīng)在 1.35～1.55 的范圍

19、內(nèi)。 選用斯太爾 WD615T1-3 六缸四沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，額定功率 120kw，最大輸出扭矩 840Nm。 2.1.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 采用發(fā)動(dòng)機(jī)—液力變矩器—變速器—中央傳動(dòng)—最終傳動(dòng)的路線。 （1）液力變矩器 推土機(jī)功率 120kw，屬大型推土機(jī)，應(yīng)選液力機(jī)械傳動(dòng)。液力機(jī)械傳動(dòng)所選變矩器應(yīng)有較大86%。該變矩器使推土機(jī)輸出力的大小能自動(dòng)適應(yīng)外負(fù)載的變化，并保證超載運(yùn)行時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)不熄火。 （2）變速器 變速器要求結(jié)構(gòu)緊湊，換檔平穩(wěn)，換檔時(shí)無(wú)需切斷動(dòng)力。 采用行星齒輪式動(dòng)力換檔變速器，速度的切換通過(guò)手操作液壓控制閥實(shí)現(xiàn)，前進(jìn)后退各三檔，采用強(qiáng)制潤(rùn)滑。 （3）中央傳動(dòng)和

20、最終傳動(dòng) 采用一對(duì)螺旋圓錐齒輪傳動(dòng)，將動(dòng)力分左右兩部分。通過(guò)左右轉(zhuǎn)向離合器再將動(dòng)力傳給最終傳動(dòng)，最終傳動(dòng)為二級(jí)直齒輪減速機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，承受力強(qiáng)，是推土機(jī)的主要受力部件。 （4）轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 采用多片濕式轉(zhuǎn)向離合器，利用彈簧壓緊，手操縱（與制動(dòng)器聯(lián)動(dòng)）油壓助力壓縮，液壓分離；采用濕式帶抱式腳踏油壓助力轉(zhuǎn)向制動(dòng)器，以轉(zhuǎn)向器從動(dòng)鼓作為制動(dòng)鼓。 2.1.3 行走機(jī)構(gòu) 行走機(jī)構(gòu)由，緩沖彈簧起緩和沖擊的作用。履帶為密封潤(rùn)滑型耐磨損，摩擦系數(shù)低，使用壽命長(zhǎng)。 2.1.4 工作裝置 推土鏟可根據(jù)不同的使用土況配置角鏟、直傾鏟、U 形鏟和環(huán)衛(wèi)鏟。后工作裝置可配置單齒松土器、三齒松土器、工

21、業(yè)絞盤、拖式鏟運(yùn)機(jī)、拖式振動(dòng)壓路機(jī)等，并可根據(jù)用戶需要改裝成質(zhì)量，操作輕便，易于控制。工作裝置布置在推土機(jī)前端，主要包括推土鏟刀、頂推架、水平撐桿、斜撐桿和控制推土鏟刀起落的液壓缸。 直傾式鏟刀的推土板采用中部為圓弧段，上部為擋土板，下部為直線段的復(fù)合型推土板，推土板斷面結(jié)構(gòu)為半開(kāi)式。推土板側(cè)邊與推土機(jī)縱軸方向夾角一般為 5～7 度。 2.1.5 液壓系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)分為變速變矩液壓系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)和工作裝置液壓系統(tǒng)。變速液壓系統(tǒng)由變速泵、變速閥等組成，用于推土機(jī)的前進(jìn)、后退和變速換擋，使推土機(jī)換擋平穩(wěn)、可靠、省力。轉(zhuǎn)活可靠。工作裝置液壓系統(tǒng)由工作泵、控制閥和液壓缸等組成，用于推土機(jī)工

22、作裝置的提升、下降和保持，作業(yè)效率高。 2.2推土機(jī)總體參數(shù)選擇 推土機(jī)的總體參數(shù)包括重量、速度、牽引力等。初選時(shí)，一般按經(jīng)驗(yàn)公式或相似法則來(lái)確定，然后通過(guò)總體計(jì)算來(lái)校核總體性能。如果計(jì)算結(jié)果不夠理想，必須對(duì)某些參數(shù)做適當(dāng)?shù)男薷?，以獲得良好的總體性能。 2.2.1 推土機(jī)重量和接地比壓 推土機(jī)的重量總體性能影響很大，他是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)功率利用的一個(gè)重要參數(shù)。 此款推土機(jī)的使用重量用重量與履帶接地面積F之間的比值按下式計(jì)算： q= （2.1） 式中：——推土機(jī)的使用重量（KN）;

23、 L——履帶接地長(zhǎng)度（m）； b——履帶板寬度（m）； 其中，是173.85般在60KPa左右。 2.2.2 推土機(jī)的行走速度 推土機(jī)前進(jìn)時(shí)1—3檔的速度4.9 Km/h，4.9—8.5 Km/h，8.5—13.6 Km/h. 2.2.3 鏟刀的垂直壓力及比壓入力 鏟刀的垂直壓力p是以推土機(jī)在油缸的作用下，抬頭失穩(wěn)極限情況下確定的，其計(jì)算公式如下： P=（N） （2.2） 式中：—推土機(jī)使用重量（N）； 、—鏟刀切削刃及整機(jī)重心至傾翻點(diǎn)水平距離；

24、為17385N, 、分別為3.5m，1.2m，所以有如下： P=17385N=42255N 比入壓q是鏟刀單位支地面積的垂直壓力。q按下式計(jì)算： q3.4MPa F—切削刃接地面積（㎡）。 2.2.4 鏟刀的提升高度和切削深度 此款推土機(jī)鏟刀的提升高度為1095㎜，鏟土深度為545㎜。 2.2.5推土機(jī)生產(chǎn)率 影響推土機(jī)生產(chǎn)率的因素 V= （2.4） 式中：—推土板寬度（m），取0.2m； —推土板高

25、度（m），取1.149m； h— 平均切土深度（m），取0.545m； —土的自然坡度角，?。? —土地的充盈系數(shù)，取1.0。 所以V=1.0=0.063 2 推土作業(yè)生產(chǎn)率: =(/h) （2.5） 式中：—推土機(jī)作業(yè)時(shí)間利用系數(shù)，取0.90； —推土板土量損漏系數(shù)，取決于運(yùn)輸距離L, =1-0.005L； —坡度作業(yè)影響系數(shù)，取0.7；

26、 T—一個(gè)推土周期循環(huán)時(shí)間（s），取 T=+++2++ （2.4） 式中： —切土距離，取10m； —運(yùn)土距離，取50m； 、、—分別為切土、運(yùn)土、返回的速度（m/s）,分別取0.8 m/s、1.6 m/s、4 m/s; —推土機(jī)掉頭時(shí)間，取10s； —換擋時(shí)間，取4s； —鏟刀下落時(shí)間，取1s。 所以T=84s 推土作業(yè)生產(chǎn)率==1.28 /h 第三章

27、 推土機(jī)重心計(jì)算 3.1 重心位置分析 推土機(jī)的中心位置主要是指縱向的位置，橫向一般分布在推土機(jī)縱軸中心線上，重心的高度在滿足離地間隙要求的情況下，為提高穩(wěn)定性，應(yīng)盡量降低。 影響重心位置有兩個(gè)：一個(gè)是總體布置是否合理；另一個(gè)是作用在鏟刀上的外載荷的變化。推土機(jī)在各種工況作業(yè)時(shí)，地面對(duì)鏟刀反力的大小和方向是影響接地比壓的重要因素。顯然不可能要求在任何情況下推土機(jī)接地比壓均勻，并使得壓力中心保持在接地中心上，因此只能找出一個(gè)對(duì)推土機(jī)總體性能影響最大而又經(jīng)常遇到的工況，滿足上述要求，這是推土機(jī)重心合理布置的基本要求。 3.2 重心位置的確定 1 理論分析：為了使液壓推土機(jī)鏟刀具有

28、良好的的強(qiáng)制入土的性能，重心入土以強(qiáng)制入土為基本情況。此時(shí)，要求接地比壓均勻，壓力中心位于接地重心上。如圖3-1： 圖3-1 重心位置的確定 以驅(qū)動(dòng)輪中心線與地面交點(diǎn)O為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系。重心位置距O點(diǎn)為l，地面對(duì)履帶支反力的合力N距O點(diǎn)為接地長(zhǎng)度的一半，即L/2。 由=0得： N=－ （3.1） 由=0得： －－N=0 (3.2) 則 =+=1.

29、46m 從上式可見(jiàn)，推土機(jī)重心的確定，以入土工況為基本工況是，必須將重心布置在接地中心之前，其前超量為。重心位于接地重心之前，使鏟刀強(qiáng)制入土性能提高，入土力大，不易抬頭。 第四章 推土機(jī)工作裝置設(shè)計(jì) 4.1 工作裝置結(jié)構(gòu)類型 推土機(jī)的工作裝置也稱鏟刀，它包括推土板，頂推架，鏟倒升降機(jī)構(gòu)等。 推土板的橫向結(jié)構(gòu)外形為直線型，直線型推土板切削力大，但推土板兩側(cè)有土遺漏現(xiàn)象。推土板前土形成的時(shí)間較長(zhǎng)，因此它主要用于短距離土的剝離和運(yùn)輸。如圖4-1：

30、 圖4-1 直線型固定式鏟刀 推土板縱向外形結(jié)構(gòu)為復(fù)合型，下面直線段，上面為圓弧段。如圖4-2所示： 圖4-2 推土板結(jié)構(gòu)外形 推土板斷面結(jié)構(gòu)為斷方向的夾角是～。推土板兩側(cè)輪廓為直角外形。 推土機(jī)的外形對(duì)減少推土機(jī)在作業(yè)時(shí)的能量消耗，提高作業(yè)效率有很大關(guān)系。合理的推土板外形土的切削阻力較小，土屑沿推土板面向上滑移時(shí)，摩擦功消耗較小，并且土屑再向上滑移的同時(shí)，向推土板的前方滑落，容易形成較大的土塊。 設(shè)計(jì)推土板外形是要考慮以下因素

31、： （1）土屑在推土板上緣易向前翻落，不應(yīng)越過(guò)刀背向后翻落。 （2）推土板前前面上升時(shí)變形小。 （4）推土板卸土干凈，不易粘著濕土。 4.2 工作裝置主要參數(shù)及結(jié)構(gòu)尺寸的確定 4.2.1鏟刀的高度和寬度 （1） 鏟刀發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率，可按以下經(jīng)驗(yàn)公式確定： =（220～275） （㎜） (4.1) 式中:—發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率（KW） =233=1149㎜ （4.2） (2) 鏟倒寬度 鏟刀切削刃

32、外廓寬。推土機(jī)鏟刀必須有自身開(kāi)辟道路的能力，因此鏟刀寬必須～3） （4.3） =31149=3416㎜ 4.2.2 推土板角度參數(shù)的選擇 推土板的形狀對(duì)減少推土機(jī)作業(yè)過(guò)程中能量消耗， 提高作業(yè)效率有很大關(guān)系。合理的推土板外形，土的切削阻力較小，土屑沿推土板面向上滑移時(shí)，摩擦功消耗較小，并且土屑在向上增加了能量的消耗。對(duì)于同樣的土，當(dāng)切削面積相等時(shí)，推土板外形稍有改變，切削阻力就隨之改變，所需的頂推力也就不同。推土板角度參數(shù)包括切削角δ，后角а，刀刃尖角β，前翻角 ，擋土板安裝角 ，推土板斜裝角ε，擋土板垂

33、直面傾斜角ξ。推土板各角度如圖 4-4所示。 圖4-4 推土板角度參數(shù) （1）切削角的選擇 切削角δ是鏟刀支證后角а大與 30。因此δ過(guò)小不僅使а得不 （2）后角的選擇 后角а是刀片后端斜面與地平面的夾角，若а<30，由于地形起伏會(huì)出現(xiàn)刀片背后接地現(xiàn)象（此時(shí)а=0），從而增加摩擦阻力，使切削能力降低。若а太大，則推土阻力明顯增大。選а為 30。 （3）刀刃尖角的選擇 刀刃尖角β是刀 （4）前翻角的選擇 前翻角是推土板最上緣切線與水平面夾角。的選擇主要考慮使土屑沿推土板上緣向前翻

34、落性能良好。選為 75。 （5）推土板回轉(zhuǎn)角的選擇 推土板回轉(zhuǎn)角φ是指在水平面內(nèi)，推土板與推土機(jī)縱軸線的夾角，對(duì)于固定式鏟刀。取φ=90。 （6）推土板傾斜角的選擇 推土板傾斜角ξ是在垂直面內(nèi)推土板與地平面夾角，有了ξ角能使推土機(jī)在坡地上，橫向推出水平切土面，以及在平地上推出橫坡，另外對(duì)較堅(jiān)硬土可用角鏟作業(yè)（鏟刀尖肯地）。ξ的調(diào)整范圍，取ξ為10。 （7） 擋土板安裝角的選擇 擋土板安裝角是后面翻落并增加推土板前積土量。 （8）推土板斜裝角的選擇 推土板斜裝角是整個(gè)推土板與地面傾斜安裝的角度。ε過(guò)小，一方面土屑易從推土板上緣往后翻落，使得土屑上升變形加大，增加切削

35、阻力。取ε=75。 推土板角度參數(shù)值的選擇見(jiàn)表 4.1。 表4.1 推土板角度參數(shù) 4.2.3推土板曲率半徑 推土板曲率半徑 Rg 是鏟刀的重要參數(shù)之一，它直接影響到推土機(jī)的作業(yè)性能。當(dāng)推土板高度一定，其中不使土屑往推土板后面翻落是主要因素，也就是要求 <90,一般需滿足 Rg>（0.8—0.9）Ho,通常取 Rg= Ho。 4.2.4推土板直線部分及檔土板尺寸 固定式鏟刀推土板采用下部為直線段的復(fù)合形推土板，下部直線部分用來(lái)安裝刀片，直線部分等于刀片寬度。 取 a=0.15Hg=172.35≈180mm 推土板垂直高度根據(jù)總尺

36、寸確定。 4.2.5頂推架于臺(tái)車架的鉸點(diǎn)位置 頂推架鉸接在臺(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、頂推架長(zhǎng)度等參數(shù)有關(guān)。 頂推架鉸點(diǎn)位置對(duì)臺(tái)車架的受力狀況影響很大(尤其當(dāng)鏟刀受到偏載及橫向力時(shí)，太靠前則臺(tái)車架發(fā)生較大形變，太靠后則推土機(jī)易前翻)，為了使鉸點(diǎn)反力均衡的(縱向和橫向)傳至臺(tái)車架和八字架上，避免臺(tái)車架受力過(guò)大發(fā)生形變，鉸點(diǎn)位置一般選在八字架與臺(tái)車架聯(lián)接中點(diǎn)的附近。 4.2.6鏟刀鋼板厚度 推土板及頂推架均是鋼板焊接部件，鋼板厚度由剛度和強(qiáng)度條件確定。取鋼板的厚度為22㎜。 4.3 推土機(jī)工作裝置的強(qiáng)度計(jì)算 4.3.1土壤的切削性能 表1 幾

37、種土壤的粘聚力C和重度 塑性土壤的種類 粘土 亞粘土 亞砂土 C/MPa /(KN/m) C/MPa /(KN/m) C/MPa /(KN/m) 硬性 0.06 21.5 0.02 20.5 半硬 0.06 21.0 0.04 2 0.015 20.0 低塑 0.04 20.5 0.025 0.01 19.5 塑性 0.02 19.5 0.015 0.005 19.0 高塑 0.01 19 0.01 18.5 0.002 18.5 流動(dòng) 0.005 18

38、0.005 18.0 0.00 18.0 表2 土壤的自然坡度角 種類 狀態(tài) 碎石 礫石 砂石 粘土 輕亞粘 土 種植土 粗砂 中砂 細(xì)砂 肥土 貧土 干 35 40 30 38 35 45 50 40 40 濕 45 40 32 35 30 35 40 30 35 飽和 25 35 27 25 20 15 30 20 25 表3 土對(duì)鋼和土對(duì)土的摩擦系數(shù)、 土壤名稱 砂土和亞砂土 0.8

39、 0.35 中質(zhì)亞粘土 重質(zhì)亞粘土 1.2 0.80 土壤內(nèi)摩擦角=，土與鋼的摩擦角。 表4 各種土壤的切削比阻力及刀刃入土比阻力（MPa） 土級(jí)別 土的名稱 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ 砂、砂質(zhì)上、中等濕度的松撤粘土、種植土 枯質(zhì)土、中綱砂礫、松散軟粘土 巒實(shí)枯土質(zhì)、中等鉆粘土、軟泥炭 合碎石成卵石的枯土、雹濕枯土、中等堅(jiān)實(shí)煤炭、合少量雜質(zhì)的石礫堆積物 中等頁(yè)巖、得于枯土、堅(jiān)實(shí)而硬的黃土，軟石膏 0.01——0.03 0.03——0.06 0

40、.06——0.13 0—0.25 0.25——0.32 0.25 0.6 1.0 1.4 表5 履帶行走機(jī)構(gòu)在各種地面的滾動(dòng)阻力系數(shù)和附著系數(shù) 支撐面種類 滾動(dòng)阻力系數(shù) 附著系數(shù) 鋪砌的路面 0.05 0.6—0.8 干燥的土路 0.07 0.8—0.9 柔軟的砂質(zhì)路面 0.10 0..7 細(xì)砂地 0 0.45—0.55 收割過(guò)的草地 0.10 0.7—0.9 開(kāi)墾的田地 0.10—0.12 0.6—0.7 冰雪凍結(jié)的道路 0.03—0.04 0.2 4.3.2推土機(jī)受力分析 推土機(jī)作業(yè)受

41、力分析是強(qiáng)度計(jì)算的依據(jù)，就是確定外載荷，踏實(shí)工作裝置提升機(jī)構(gòu)的工作依據(jù)，而且為工作裝置、履帶臺(tái)車架等零部件強(qiáng)度計(jì)算提供載荷依據(jù)。 （一） 鏟刀自重 液壓推土機(jī)靠油缸力使鏟刀強(qiáng)制入土，所以鏟刀不必太笨重，鏟刀自重在強(qiáng)度及剛度允許的情況下，可適當(dāng)減輕?？梢杂媒?jīng)驗(yàn)公式確定鏟倒自重： =（0.18～0.21）（N） （4.4） —推土機(jī)的使用重量。 所以有：=173850.93N （二） 鏟刀提升力計(jì)算 鏟刀提升力是指提升裝置的提升作用力，當(dāng)鏟刀遇到

42、大障礙物，鏟刀提不起來(lái)，而鏟刀提升機(jī)構(gòu)供給的提升力足以使推土機(jī)繞履帶接地最前端（A 點(diǎn)）傾翻。 以拖拉機(jī)為脫離體，拖拉機(jī)受力有：拖拉機(jī)使用重量 GT,頂推架絞點(diǎn)支反力和，提升力，按內(nèi)力平衡，、、分別和、、大小相等，方向相反。 圖4-5 鏟刀提升力計(jì)算受力圖 =0得GT+Xm－Z－S=0 得 Sy=S= （4.5） 以鏟刀為脫離體，鏟刀受力有：土的反力 Px 和 Pz,鏟刀自重 Gg，頂推架絞點(diǎn)C 的反力 Xc 和 Zc，提升力 Sy,此時(shí)與地平面成θ角。 =0 得

43、X=Xc=Px+Sycos =0 得 Z=Zc= 將X和Z值代入式，得 Sy= （4.6） 式中：—推土機(jī)使用重量 Px—土的反力 Gg—鏟刀自重 θ—提升力與地面夾角 —Sy 力與作用線距離 l、、lg--見(jiàn)圖示 Sy= =120860N 考慮動(dòng)載荷的鏟刀提升力： =

44、 （4.7） 式中: --動(dòng)載系數(shù)，查表取1.4 故=169200N 4.3.3推土機(jī)作業(yè)阻力計(jì)算 以推土機(jī)在水平地面勻速行駛，鏟刀以最大切土深度進(jìn)行作業(yè)，當(dāng)切土結(jié)束提升推土鏟的瞬時(shí)所產(chǎn)生的最大作業(yè)阻力作為 計(jì)算工況，其作業(yè)阻力主要有：切線切削阻力 Pq，鏟刀前積土的推移阻力 Pt，刀刃與土壤摩擦阻力 Pm1和土屑沿鏟刀上升時(shí)的摩擦阻力的水平分力 Pm2， (1)切線切削阻力 Pq 設(shè) Pq 的作用點(diǎn)在鏟刀刃前， 作用方向沿鏟刀切削角底邊并與推土機(jī)前進(jìn)方向相反，則: Pq = B （4.8

45、） 式中：B--- 推土板的寬度 （3.416m） --- 切削比阻力，查表4取=0.05（MPa） ---推土產(chǎn)平均切削深度（m） 圖4-6 推土鏟平均切屑計(jì)算 =（－）sin=－sin =0545－sin=0.248m 故=3.4160.2480.0542358 N 鏟刀前積土的推移阻力 = (4.9) 式中：—土與土之間的摩擦系數(shù)，查表3取0.5 —推土鏟前積

46、土重量 = （4.10） 式中：—土的重度（N/），查表1得=21N/ B—推土鏟的寬度（3.416m） H—推土鏟的高度（1.149m） —推土鏟平均切屑深度（0.248m） —土壤的自然坡度角，查表2得取

47、故=21=34701N 故=34701N0.5=17351N (3)刀刃與土壤摩擦阻力： =Bx （4.11） 式中：—推土鏟切削刃磨損后切削刃壓入土的比阻力，查表4得 0.483Mpa B—推土鏟寬度（3.416m） x—切削刃磨損后的接地長(zhǎng)度 m (取 0.008m) —土壤與鋼鐵的摩擦系數(shù)，查表3取 1.0 故=0.483 3.416 0.008 1.013200N (4)土屑沿鏟刀上升時(shí)的

48、摩擦阻力的水平分力 = （4.12） 式中:Gt—推土鏟前積土重量（34701N） —土壤與鋼鐵的摩擦系數(shù)（1.0） —推土鏟的切削角（55） 故=34701 1.0 55 = 11416 N 綜上所述：推土機(jī)的作業(yè)阻力 PT 為： PT=Pq+Pt+Pm1+Pm2=42358+17351+13200+11416=84325N 上述作業(yè)阻力計(jì)算時(shí)，沒(méi)有考慮鏟刀碰撞障礙物時(shí)的沖擊載荷的影響，當(dāng)鏟刀碰撞到難以克服的障礙物時(shí)，推土機(jī)仍

49、全力頂推，履帶完全滑轉(zhuǎn)，此時(shí)需考慮猛烈的沖擊及慣性力，計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式： Px =Kd PT （4.13） 式中:Kd—?jiǎng)虞d系數(shù)，取 1.5 故Px=1.5 84325=126488N 4.4 推土機(jī)鏟刀的強(qiáng)度計(jì)算 4.4.1計(jì)算位置的確定（第一計(jì)算位置） 鏟刀的水平土反力 Px 和頂推架絞點(diǎn)水平反力 Xc 的最大值，適當(dāng)推土機(jī)具有最大頂推力和慣性力時(shí)產(chǎn)生的。即推土板頂?shù)秸系K物，履帶滑轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)的。 鏟刀的土切垂直反力Pz 和鏟刀升降力的最大值， 是在推土板固定切削時(shí)或者以全功率提升及強(qiáng)制入土?xí)r產(chǎn)生的。

50、 推土機(jī)中部頂?shù)秸系K物，其計(jì)算條件為： ⑴推土機(jī)在水平地面作業(yè) ⑵帶土的推土板從切削位置提升到運(yùn)土位置 ⑶推土機(jī)功率足夠大，在頂升推土板的同時(shí)，以最大頂推力向前，即可能使推土機(jī)翹尾失穩(wěn)，同時(shí)履帶滑轉(zhuǎn)。 4.4.2超靜定計(jì)算 為了使鏟刀有足夠的高度，推土板和頂推架往往組成一個(gè)超靜定構(gòu)件，因此需要按解超靜定方法進(jìn)行鏟刀的強(qiáng)度計(jì)算。 首先繪制計(jì)算草圖，如圖5-7所示，其中各件的幾何尺寸和相互間位置，是根據(jù)總體布置要求確定。 圖4-7 超靜定計(jì)算草圖 已求出，， =ctg() =-22303N 式中： 土對(duì)鋼的摩擦角=

51、arctan1= 將Px和轉(zhuǎn)算到頂推架平面上，其合力為 則：= +cos 式中：λ --力與頂推架平面間夾角(45) 故 =238452N 此時(shí)附加力矩M1,M2 頂推架平面內(nèi)構(gòu)建具有三個(gè)多余約束，即頂推支座多余一個(gè)約束及水平撐桿多于兩個(gè)約束。由于P1 作用在推土板中間，兩水平撐桿的約束相同，所以可簡(jiǎn)化為兩次超靜定結(jié)構(gòu)。 解此超靜定系統(tǒng)求出支反力和兩個(gè)水平桿的約束力，首先畫(huà)出該結(jié)構(gòu)所受多余未知力X1，X2，如圖4-8 所示。 圖4-8 工作裝置所受多余未知力 并建立兩個(gè)補(bǔ)充方程

52、： ++=0 （4.14） ++=0 （4.15） 式中：和--去除多余約束后假設(shè)的未知反力 、和--分別為、和力作用下沿作用方向上的位移量 、和--分別為、和力作用下沿作用方向上的位移量 頂推架與履帶臺(tái)車架兩絞點(diǎn)的作用力分別為、和、。 圖4-9 多余未知力計(jì)算圖 在P1載荷下： =-=

53、0 得===119226N ==0 ===55311N ===0 ==165933N 在單位力作用下： =-1+1=0 得==0 ===0 ==0 在單位力作用下：

54、 = =0 = =0 ==== =sin 通過(guò)以上分析計(jì)算，建立在載荷 P1 作用下和單位力=1和=2作用下，基本結(jié)構(gòu)圖上的彎矩圖、如圖 4.5 所示，圖乘法計(jì)算、、、、、值: == === == =－=－ =－ =－ 帶入以式4.14與4.15得： =21967.73N

55、 =193985.3N 多余未知力求出后，最后彎矩圖可有下式按疊加原理計(jì)算： Mg= （4.16） 得到工作裝置所受軸向力和彎矩圖如圖5-10所示： 圖4-10 工作裝置所受軸向力和彎矩圖 推土板在外力作用下，從Mg 圖可見(jiàn)，推土板中間O 截面及頂推架的D 截面彎矩最大。 得到推土板截面特性參數(shù)如下： 體積 = 9.8732567e+07 曲面面積 = 1.6882094e+07 密度 = 7.8000000e-06 kg / 質(zhì)量

56、= 7.7011402e+02 kg 根據(jù)推土鏟 坐標(biāo)邊框確定重心: X Y Z 1.6978878e+03 7.0192331e+02 -1.4649351e+02 mm 相對(duì)于推土鏟 坐標(biāo)系邊框之慣性. (kg㎡) 慣性張量 Ixx Ixy Ixz 4.7590098e+08 -9.1781195e+08 1.9155013e+08 Iyx Iyy Iyz -9.1781195e+08 3.0798006e+09 8.8997762e+07 Izx Izy Izz 1.9155013e+08 8.8997762e+07 3.

57、5055927e+09 重心的慣性(相對(duì)推土鏟坐標(biāo)系邊框) (kg㎡) 慣性張量 Ixx Ixy Ixz 7.9941711e+07 0.0000000e+00 0.0000000e+00 Iyx Iyy Iyz 0.0000000e+00 8.4317113e+08 9.8090872e+06 Izx Izy Izz 0.0000000e+00 9.8090872e+06 9.0605779e+08 主慣性力矩(kg㎡) I1 I2 I3 7.9941711e+07 8.4167662e+08 9.0755230e+08

58、 從推土鏟定位至主軸的旋轉(zhuǎn)矩陣: 1.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.98859 0.15062 0.00000 -0.15062 0.98859 從推土鏟定位至主軸的旋轉(zhuǎn)角(度): 相對(duì) x y z 的夾角 -8.663 0.000 0.000 由 = = 根據(jù)以上數(shù)據(jù)得： =

59、0.0643 =0.254 =－3308.8N?m =21717.1 N?m O 截面的正應(yīng)力值為： 代入數(shù)據(jù)得： 設(shè)扭矩值與剛度成正比故O 截面上扭矩剪切應(yīng)力為： 式中：--O 截面上各外力對(duì)扭轉(zhuǎn)中心的力矩值之半 （約束承擔(dān)了一半扭矩） --O 截面各板厚度 --截面各部分的扭轉(zhuǎn)慣性矩 代入數(shù)據(jù)得：==88.7Mpa 推土板中間O 截面的總應(yīng)力按第三強(qiáng)度理論求得： =

60、 （4.17） 式中： --許用應(yīng)力 帶入數(shù)據(jù)得：==190.2 Mpa<380 Mpa 校核合格。 4.4.3斜撐桿強(qiáng)度計(jì)算 在推土板垂直平面內(nèi)，推土板與頂推架絞點(diǎn)支反力為 ，推土板與斜撐桿絞點(diǎn)反力為 ，由于 和的作用，產(chǎn)生力矩和 = =cos 由=0 得： -++sin-(+)=0 = 代入數(shù)據(jù)得： ==98483

61、N 由=0得： -++sin+(+)=0 = 代入數(shù)據(jù)得： == －139344N 斜撐桿受軸向力： = 式中：--斜撐桿截面積 代入數(shù)據(jù)得：==246.9 MPa <=380MPa 校核合格。 4.5第三計(jì)算位置 第三計(jì)算位置是超靜定體系，此位置主要計(jì)算頂推架、絞銷軸。可按靜定方法計(jì)算。 4.5.1頂推架強(qiáng)度計(jì)算 頂推架絞點(diǎn)反力和由圖5-11根據(jù)力矩平衡式求得。

62、 （N） (N) 圖5-11 鏟刀第三位置計(jì)算圖 =812497.5N =204617.2N 4.5.2鉸銷軸強(qiáng)度計(jì)算 此位置時(shí)銷軸危險(xiǎn)截面為I－I面（如圖5-12），銷軸受力為，其計(jì)算如下： ==

63、838204.5N 圖5-12 絞銷軸受力 （MPa） （4.18） 式中：W—銷軸抗彎截面模量（），值為0.005 —銷軸的軸向力，取32536N F—銷軸斷面積（㎡），值為0.003 282MPa 380 MPa 此絞銷軸合格 第五章

64、 穩(wěn)定性計(jì)算 推土機(jī)的穩(wěn)定性包括防止推土機(jī)前傾翻、后傾翻、側(cè)向傾翻以及橫向滑移等現(xiàn)象的出現(xiàn)。以下討論幾種典型工況。 5.1推土機(jī)切土作業(yè)的穩(wěn)定性 推土機(jī)的作業(yè)條件為：推土出現(xiàn)向前傾翻的現(xiàn)象。如圖5—1所示，穩(wěn)定性的判斷式為 式中，c為最前端支重輪下的履帶接地點(diǎn)到驅(qū)動(dòng)輪中心線的距離；x為支承履帶的土壤法向反力的合力動(dòng)鏈輪中心的水平距離?？梢园聪旅娴姆椒ㄇ蟮?，由得 （5.1） 圖5—1 推土機(jī)的作業(yè)穩(wěn)定性 式中；——推土機(jī)的使用

65、重量； ——土壤對(duì)推土鏟反力 ——推土鏟帶起的土堆重量．可以取=/3，為推土鏟前的積土重量； N——土壤的法向反力合力， =1.66m

66、 （5.2） 式中，H為重心離地面高度，H=1.8m。 圖5—2 推土機(jī)的縱向穩(wěn)定性 推土機(jī)在坡道上行駛，還受發(fā)動(dòng)機(jī)功率、地面附著條件等限制。為了使推土機(jī)在坡道上不滑移，應(yīng)按地面附著條件計(jì)算不滑移的極限坡度角。若不計(jì)滾動(dòng)阻力，不滑移的極限坡度角求推土機(jī)在被道上行駛時(shí)傾翻后于滑移，即上(下)坡傾翻極限角應(yīng)大于不滑移的極限坡度角。 因此，履帶推土機(jī)縱向行駛穩(wěn)定條件為； 上坡時(shí)，；下坡時(shí)，。 穩(wěn)定性符合要求。 5.2.2橫向穩(wěn)定性 橫向穩(wěn)定性反映了推土機(jī)在坡道上，橫坡行駛及停放不傾翻的能力。橫向穩(wěn)定性的極限角也稱橫向臨界坡角。如圖5—3所示．令高側(cè)履帶接地面上的垂直反力N1=0，則 =0 式中，e為推士機(jī)重心離行駛也受地面附著條件的限制．橫坡安全行駛的條件為