TY220履带推土机总体设计【含CAD图纸、说明书】
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摘 要随着新世纪的前进，我国在市政工程、道路交通、农田水利、能源矿上等对高性能机械产品的需求迅速增长，机遇与挑战并存，对其性能要求也越来越严格。作为工程机械的重要组成部分推土机，随着工况条件的复杂与艰难，对其工作可靠性、维修性、安全性和燃油经济性也提出了更高的要求，而这些要求均与推土机传动系统有着密切的关系。本设计主要结合国内外大、中型履带式推土机的结构，分别从工作原理、性能设计方法作了分析介绍。对推土机的总体结构进行设计，以提其工作的效率以及工作的稳定性。主要对工作装置进行了分析，对推土机的作业装置设计和强度的计算，能够实现目的、满足基本要求，运用CAD绘制二维装配图与零件图。 通过本次课题设计，进一步加强所学的专业知识，了解和掌握机械系统设计步骤和方法。并经过CAD绘图和分析练习，掌握了先进的设计方法和设计理论，提高了实践能力。关键词：履带式推土机、工作装置、强度计算、作业装置45ABSTRACTWith the progress of the new century, Chinas demand for high-performance machinery products in municipal engineering, road traffic, farmland water conservancy, energy and mining is growing rapidly. Opportunities and challenges coexist, and its performance requirements are becoming more and more stringent. As an important part of construction machinery - bulldozer, with the complexity and difficulty of working conditions, higher requirements are put forward for its reliability, maintainability, safety and fuel economy, which are closely related to the transmission system of bulldozer. This design mainly combines the structure of large and medium-sized crawler bulldozers at home and abroad, and analyses and introduces the working principle and performance design method respectively. The overall structure of bulldozer is designed to improve its working efficiency and stability. This paper mainly analyses the working device, designs and calculates the strength of the working device of bulldozer, which can achieve the purpose and meet the basic requirements, and draws two-dimensional assembly drawings and parts drawings by using CAD. Through this project design, further strengthen the professional knowledge learned, understand and master the steps and methods of mechanical system design. Through the practice of CAD drawing and analysis, we have mastered the advanced design method and theory, and improved the practical ability. Key words: crawler bulldozer, working device, strength calculation, working device 目 录摘 要IIABSTRACT3第1章 绪 论61.1推土机的简介61.2 课题研究的目的及意义61.3 国内外推土机的发展状况71.3.1国外推土机发展状况71.3.2国内推土机发展状况81.3.3 国内的发展趋势91.4 研究的方法及技术路线101.4.1研究方法101.4.2研究技术路线11第二章 履带推土机的总体方案设计112.1推土机的分类112.2推土机的结构112.2.1推土机的总体结构概述112.2.2推土机的工作装置122.2.3动力装置142.2.4传动系统142.2.5悬架系统142.2.6转向与制动系统152.3 推土机的工作原理152.4 结构选型与功率确定15第4章 推土机工作装置的结构设计164.1 推土铲的结构参数164.1.1推土铲的宽度和高度164.1.2推板的设计184.2 推土作业阻力及整车牵引力计算204.2.1推土作业阻力计算204.2.2推土牵引力234.3最大外载荷的计算234.3.1推土机的附着性能234.3.2最大附着力的计算244.3.3推土铲最大外载荷的计算254.4 作业强度的计算254.4.1推土铲的强度计算254.4.2斜撑杆强度计算294.4.3顶推架强度计算304.4.4铰销轴的计算31第五章 推土机液压系统的分析325.1液压系统压力的确定325.2计算油缸尺寸335.3 推土机液压系统设计34结 论36致 谢36参考文献37第1章 绪 论1.1推土机的简介推土机是工程机械的一种主要机械，按行走方式分为履带式和轮胎式两种.因为轮胎式推土机较少。本设计主要是履带式推土机的工作原理及应用。功率大于120KW的履带式推土机中，绝大多数采用液力-机械传动。这类推土机来源于引进日本小松制作所的D155型、D85型、D65型三种基本型推土机制造技术。国产化后，定型为TY320型、TY220型、TY160型基本型推土机。为了满足用户各种使用工作况的需求，我国推土机生产厂家在以上三个基本型推土机的基础上，拓展了产品品种，形成了三种系列的推土机。TY220型推土机系列产品，包括TSY220型湿地推土机、TMY220型沙漠推土机、TYG220型高原推土机、TY220F型森林伐木型推土机、TSY220H型环卫推土机和DG45型吊管机等。TY320型和TY160型系列推土机也在拓展类似的系列产品。TY160系列中还有TSY160L型超湿地推土机和TBY160型推扒机等 履带式推土机主要由发动机、传动系统、工作装置、电气部分、驾驶室和机罩等组成。其中，机械及液压传动系统又包括液力变矩器、联轴器总成、行星齿轮式动力换挡变速器、中央传动、转向离合器和转向制动器、终传动和行走系统等。TY系列履带式推土机是一种高效率的工程机械，具有结构先进，性能可靠，机动性强，操纵方便等优点。广泛应用于矿山，建筑工地，道路修建，水利工程，港口，货场，电站以及其他工业部门，进行装载，推土，铲挖，起重，牵引等多种作业。对加快工程建设速度减轻劳动强度提高工程质量降低工程成本都发挥着重要作用，因此近几年来无论在国内还是国外推土机品种和产量都得到迅速发展，成为工程机械的主导产品之一。1.2 课题研究的目的及意义近些年以来，随着我国国民经济建设的高速发展与国家“十一五”规划纲要的成功实施，能源矿山、农田水利、市政工程、道路交通等对高性能机械产品需求和要求等迅速增长与增加，使得我国工程机械行业抓住了难得的历史机遇，顺势地不断快速发展、成长与壮大，同时也遇到了前所未有的挑战。“十一五”期间，工程机械行业规模总量、销售收入均跃居世界首位，成为我国国民经济发展的重要支柱产业之一1。京沪高铁总投资2200亿元，其中基建占到1000亿元，工程机械采购规模大约为209亿元，平均每年的采购额约为42亿元，不言而喻高铁对工程机械的需求量是非常大的。据报道，“十二五”期间，国家投在交通运输上的资金将达10万亿元，高铁、城铁、地铁、高速公路等基础设施建设，将极大地带动工程机械行业进一步的发展2。工程机械将再一次面对发展的。作为工程机械里的重要组成部分推土机，随着国家经济的发展与工程机械行业的快速进步，国内外对其需求量与日俱增，但是所谓机遇与挑战并存，工作条件的更加复杂与艰难化，人们对其工作可靠性、可维修性、安全性和燃油经济性也就提出了更高的要求3。另外，作为牵引式工程机械的典型代表履带推土机，较一般的推土机能够适应更多的工况，它追求的是速度与负荷之间的自适应能力、降低比油耗、提高作业生产率，充公利用发动机功率，即追求最大的作业生产率、经济性、动力性，也就是说能够使发动机功率得到充分发挥，使传动系统应有较高的效率，使整机有较好的作业生产率，而这一切的关键之一，推土机传动系统地位着举重若轻4。1.3 国内外推土机的发展状况1.3.1国外推土机发展状况履带式推土机(track-type tractor，也有称crawler dozer）是美国人Benjamin Holt在1904 年研制成功的，它是在履带式拖拉机前面安装人力提升的推土装置而形成，当时的动力是蒸汽机，之后又先后研制成功由天然气动力驱动和汽油机驱动的履带式推土机，推土铲刀也由人力提升发展为钢丝绳提升。Benjamin Holt也是美国卡特彼勒（Caterpillar Inc.）公司的创始人之一，1925年5Holt制造公司和C.L,Best推土机公司合并，组成卡特彼勒推土机公司，成为世界首家推土设备制造者，并于1931年成功下线第一批采用柴油发动机的60 推土机。随着技术的不断进步，目前推土机动力已经全部采用柴油机，推土铲刀和松土器全部由液压缸提升。推土机除履带式推土机外，还有轮胎式推土机，它的出现要比履带式推土机晚十年左右。由于履带式推土机具有较好的附着性能，能发挥更大的牵引力，因此在国内外，其产品的品种和数量远远超过轮胎式推土机。在国际上，卡特彼勒公司是世界上最大的工程机械制造公司，其生产的履带式推土机有大、中、小共9 个系列D3-D11，最大的D11 RCD，柴油机飞轮功率达到634kw；日本的小（komatsu）公司列第二位，1947 年才开始引进生产D50 履带推土机，现在履带式推土机有13 个系列，从D21-D575，最小的为D21，柴油机飞轮功率为29.5kw，最大的为D575A-3SD，柴油机飞轮功率达858kw，它也是当前世界上最大的推土机；另外一家独具特色的推土机制造企业是德国的利勃海尔集团（Liebheer），其推土机全部采用静液压驱动，该技术历经十几年的研究与发展，1972年推出样机，1974 年开始批量生产PR721-PR731 和PR741 静液压驱动履带推土机，由于液压元件的限制，目前其最大功率仅为295Kw，型号为PR751矿用。 上述三家推土机制造企业，代表了当今世界上履带式推土机的最高水平。国外其他几家履带推土机制造企业约翰迪尔、凯斯、纽荷兰和德瑞斯塔，其生产技术水平也较高。1.3.2国内推土机发展状况我国生产推土机，是新中国成立以后才开始的。最初是在农用拖拉机上加装推土装置。随着国民经济的发展，大型矿山、水利、电站和交通等部门对中大型履带式推土机的需求不断增加，我国中大型履带式推土机制造业虽有较大发展，但已不能满足国民经济发展的需要。为此，自1979 年以来，我国先后从日本小松公司和美国卡特彼勒公司引进了履带式推土机生产技术、工艺规范、技术标准及材料体系，经过消化吸收和关键技术的攻关，形成了目前以,20世纪80-90 年代小松技术产品为主导的格局。 从20世纪60年代至今，国内推土机行业的生产企业一直稳定在4家左右，原因是推土机产品的加工要求高、难度大，批量生产需要较大的投入，因此一般企业不敢轻易涉足。但是随着市场的发展，从“八五”开始，国内一些大中型企业根据自身实力，开始兼营推土机，如内蒙古第一机械厂、徐州装载机厂等，扩充了推土机行业队伍。与此同时，也有少数企业由于经营不善、不适应市场发展的需要开始走下坡路，有的已经退出本行业。目前国内推土机的生产企业主要有：山推工程机械股份有限公司、河北宣化工程机械股份有限公司、上海彭浦机器厂有限公司、天津建筑机械厂、陕西新黄工机械有限责任公司、一拖工程机械有限公司等。上述公司除生产推土机外，也开始涉足生产其他工程机械产品，如山推还生产压路机、平地机、挖掘机、装载机、叉车等。1.3.3 国内的发展趋势除高速公路建设需要大、中马力推土机外，高等级公路建设和县乡级公路网的建设和水利工程、环保工程建设，势必造就大批量的个体施工者。这样，对小型推土机（100马力以下）的需求量必然要增加。同时，我国已建成的高速公路和高等级公路已逐渐进入维修期，随着东部沿海地区经济的发展和人民生活水平的提高，小型推土机将逐步成为人们替代体力劳动的工具。这正是小型推土机的市场所在。 与北美、西欧和日本市场相比，中国小型推土机市场无论是销量，还是小型推土机与重型推土机销售总量中所占的比重，都有相当大的差距。推土机行业必须借这次机遇，努力满足这一新市场的需求。据有关杂志介绍，目前小型机市场已进入成长期，2008-2012年前后进入成长期后期和成熟期前期，2020年前后进入成熟期。 所以，推土机行业的有关企业，应从战略角度着眼，决不能忽视小型产品的未来市场。但，在中国这样的发展中国家开发小型工程机械产品，其定位一定要准。应该用不同的技术、针对不同用户群来解决定位准的问题。应首先开发满足发达地区广大农村市场的低端产品。而高端产品更多应考虑未来用户的需求。 其次就是西部高原地区作业，尽快完善和解决适应西部高原地区作业的关键技术 （1）采用功率恢复型的增压技术由于以一般的自然吸气发动机而言，当海拔高度每升高1000m时，其输出功率就会降低812%。若整机作业海拔高度达4000m时，则其输出功率，只有在平原地区的55%左右。所以西部高原地区施工使用的推土机必须采用这种功率恢复型增压技术，以使柴油机在高原地区使用时，其输出功率和经济指标及其热负荷指标等恢复到原东部低海拔地区时的标定水平。目前，全国推土机的柴油机配套厂家，如上海柴油机厂、潍坊柴油机厂、重庆康明斯柴油机公司等都做了不少工作，已基本满足市场的需求。 （2）热平衡技术工程机械在西部高压地区施工，要解决液力系统的冷却问题。既要解决柴油机因增压产生的热负荷升高问题，又要解决传动散热系统因高原散热能力下降所引起的比东部低海拔地区的较高的温升。在进行热平衡计算时，要把冷却风量、空气重度、环境温差、散热器的散热能力等等因素考虑到。 （3）防风沙技术的应用由于西部地区风沙比较大，若采用一般的空气滤清器，极易造成空气滤清器堵塞或滤清不充分，损坏柴油机的零部件。目前，各柴油机厂家一般采用三级滤清器或四级滤清器来解决这一问题。 （4）自救防护设备及机具的配置由于西部高原地区交通不便，人烟稀少。因此，机械应安装液压绞盘，以便在其陷入沙坑或沼泽地时，可被拖拽出来。同时，由于西部地区温差大、风沙大，驾驶室应提高密封性能，并配备冷暖空调，防紫外线玻璃。驾驶室内应配备必要的生活设施以及食用水与食品储藏柜。甚至应配备全球定位系统和小型的制氧设备。 （5）低温预热系统的采用为提高机械的冷起动性能。除采用高性能的免维护电瓶外，采用柴油机冷却系统预热或油底壳预热技术也是两种很有效的方法。这两种技术尤其适用于气温低于-35的高寒地区。 （6）多自由度推土装置的开发应用随着城建设施建设的增多和农田水利建设的需要，应逐渐完善多自由度推土装置的开发和应用。1.4 研究的方法及技术路线1.4.1研究方法（1）通过查阅相关资料，掌握履带推土机的主要参数。（2）充分考虑已有履带推土机的优缺点来确定履带推土机的总体设计方案，对现有装置的不足进行分析。（3）对设计的履带推土机进行修改和优化，最终设计出能满足要求的履带推土机。1.4.2研究技术路线（1）根据题目和原始数据查看相关资料，了解当今国内外履带推土机的发展现状及发展前景，撰写文献综述和开题报告。（2）根据产品功能和技术要求提出多种设计方案，对各种方案进行综合评价，从中选择较好的方案，再对所选择的方案做进一步的修改或优化，最终确定总体设计方案。（3）具体设计履带推土机的驱动装置、工作装置等。 （4）对所设计的机械结构中的重要零件进行校核计算，如齿轮、轴、轴承等，保证设计的合理性和可行性。；（5）绘制零件图、装配图，完成要求的图纸量；（6）整理各项设计资料，撰写论文。第二章 履带推土机的总体方案设计2.1推土机的分类按行走方式推土机可分为履带式和轮胎式两种。履带式推土机附着牵引力大接地比压小(0.040.13MPa)爬坡能力强，但行驶速度低。轮胎式推土机行驶速度高，机动灵活，作业循环时间短运输转移方便但牵引力小适用于需经常变换工地和野外工作的情况。按用途可分为通用型及专用型两种。通用型是按标准进行生产的机型广泛用于土石方工程中。专用型用于特定的工况下，有采用三角形宽履带板以降低接地比压的湿地推土机和沼泽地推土机、水陆两用推土机、水下推土机、船舱推土机、无人驾驶推土机、高原型和高湿工况下作业的推土机等。按传动方式分有机械式、液力机械式和液压式三种。按铲刀形式分有固定式和回转式两种。固定式也称直铲式此类推土机的铲刀与底盘的轴线成90一般用于小型和大型推土机，回转式推土机的铲刀与底盘轴线的推土机的用途和工作对象夹角可调(斜铲)并且铲刀在垂直面内还可倾斜一定角度(侧铲)主要用于中型推土机。 2.2推土机的结构2.2.1推土机的总体结构概述推土机是土方工程机械的一种主要机械，按行走方式分为履带式和轮胎式两种。履带式推土机的总体结构如图所示。2.2.2推土机的工作装置推土铲安装在推土机的前端是推土机的主要工作装置，它由铲刀和推架两部分组成。推土机处于运输工况时推土铲被液压油缸提起推土机进入作业工况时液压油缸降下推土铲将铲刀置于地面向前可以推土向后可以平地推土机在较长时间内牵引作业时可将推土铲拆除。 工程建设中使用较多的履带工推土机的铲刀有固定式和回转式两种安装形式。其中的回转式铲刀可在水平面内转动一定的角度一般为0-15实现斜铲作业。如果将铲刀在垂直平面倾斜一个角度一般为0-9则可实现侧铲作业。该推土机可称为全能型推土机，如图现代大、中型履带式推土机多安装固定式推土铲也可换装回转式的。通常向前推铲土石方、平整场地或堆积松散物料时采用直铲作业傍山铲土或单侧弃土时应采用斜铲作业在斜坡上铲削土壤或铲挖边沟时则采用侧铲作业。直铲推土机用固定式推土铲的结构组成图如下图所示它主要由铲刀3、倾斜油缸5、顶推梁6等部件组成。顶推梁的后端铰接在底盘的台车架上铲刀在提升油缸，图中未示出。作用下可绕其铰接支点提升或下降。铲刀、顶推梁、拉杆、倾斜油缸和中央拉杆等组成一个刚性构架，以承受推土作业的负载。 通过同时改变拉杆的倾斜油缸的工作长度等量伸长或缩短可以调整铲刀推土板主要由曲面板和可卸式刀片组成。推土板断面的结构形式有开式.半开式闭式三种形式。小型推土机采用结构简单的开式推土板；中型推土机大多采用半开式的推土板大型推土机作业条件恶劣为保证足够的刚度和强度采用闭式推土板。闭式推土板为封闭的箱型结构；其背面和端面均用钢板焊接而成用以加强推土板的刚度。推土板的横向结构外形可分为直线型和U型两种。铲土、运土和回填的距离较短可采用直线型推土板。直线型推土板属窄型推土板宽高比较小比切力大但铲刀前的积土容易从两侧流失切土和推运距离过长会降低推土机的生产率。运距稍长的推土作业宜采用U型推土板。其具有积土运土容量大的特点。为减少积土阻力有利于物料滚动前翻以防物料在铲刀前散胀堆积或越过铲刀顶面向后溢漏通常采用抛物线或渐开线曲面作为推土板的积土面。此类积土面表面物料贯入性好可提高物料的积聚能力和铲刀的容量降低能量的损耗。因抛物线曲面与圆弧曲面的形状及积土特性十分相近且圆弧曲面的制造工艺性好，容易加工，故现代推土板多采用圆弧曲面。2.2.3动力装置推土机的动力多采用柴油机。根据推土机的工作特点宜选取12小时功率作为发动机装车的标定功率发动机的转速一般应在1800-2000r/min之间速度适应系数因在1.35-1.55的范围内机械传动式的推土机的发动机扭矩适应系数可以在1.15-1.25范围内最好能达到1.30-1.40不得小于1.10；发动机的润滑系统良好；可以使推土机在30度纵坡15度横坡上工作冷却系应能在正负40摄氏度的气温环境下可靠工作。 2.2.4传动系统TY220履带式推土机采用的液力机械式传动，具体传动如图2-4所示。图2-4 推土机液力机械式传动系统图首先由1发动机产生动力然后再传递到2动力输出箱再经过3液力变矩器传递到4联轴节，通过5动力变速箱传递到中央传动装置和各个部分。2.2.5悬架系统绝大多数履带推土机采用半刚性悬架有些小型及高速行驶的推土机采用弹性悬架。前者的履带接地压力均匀附着性能好推土平稳。后者具有较好的缓冲性能能更好适应不平的地面但结构复杂承载能力较低而且由于悬架弹性元件的振动使铲刀切削深度发生变化推土平稳性受到影响。2.2.6转向与制动系统转向制动装置的作用的根据履带式机械行使和作业的需要，适事地切断或减小一侧驱动轮上的驱动转矩，使两边履带获得不同的驱动力和转速，以使机械以任意的转弯半径进行转向，并可与制动器进行配合进行360的原地掉头。制动器可保推土机在坡道上可靠停车。转向制动装置在中央传动装置和最终传动装置之间，它包括转向制动器，转向离合器及其操纵机构。目前在工程机械上的转向制动装置大体有两种形式，一种为行星齿轮式，一种为摩擦离合器式。行星齿轮式转向制动装置具有结构紧凑、体积小、使用寿命长的优点。摩擦离合器式转向制动装置具有使用机械行驶性能好，零件制造加工容易、成本低廉等特点。虽体积较大，但能保证达到机械转向的要求，目前履带式推土机上的转向离合器大多都采用多片常结合式摩擦离合器，这是因为它安装在中央传动装置之后，所以传递的扭矩比较大，并且这种离合器结合分离的动作柔和，是机械转向动作圆滑平顺。2.3 推土机的工作原理推土机的工作原理主要是利用发动机产生的动力通过传动系统传递给工作装置，即推土铲，利用推土铲的堆土能力推动土壤。首先推土机进行推土，推土的多少取决于铲刀的切削深度，在进行推土过程中的就是运土，在推土到目的地以后就是卸土。推土机的工作原理与铲运机不同，铲运机是在一个地点的土壤转移到另一个地点，而推土则是将整个运行路线的土壤转移到一个地点，运距较小，效率较高，工作负荷大。2.4 结构选型与功率确定 总体方案设计时，对设计任务书所规定的技术要求和机器的工作条件进行分析之后，接着就要对推土机进行选型。因为推土机是由工作装置和基础车和操纵装置的选型。（一）工作装置的选型 选择直铲式铲刀型（二）基础车的选型 推土机由于作业对象不定，作业条件恶劣，载荷变化比较大，作业工序反复循环以及操作频繁等，要求所使用的基础车能适应上述特点。在这里选择履带行走机构。（三）操纵装置的选型 选液压缸操纵式推土机（四）额定功率的计算 KW 参照铲土运行机械P177表取： 驱动功率 160 KW 自重 250 KN 最大牵引力 185 kN参照铲土运行机械P1194表3-3取： G推土机=240 KW G拖拉机=180 KW G工作装置=40 KW 直铲式G装与G拖的百分比为20.1%-23.5% 第4章 推土机工作装置的结构设计4.1 推土铲的结构参数推土铲的结构参数影响到推土机的整体工作性能，包括推土铲的宽度与高度，曲面板的曲率半径等等。4.1.1推土铲的宽度和高度推土铲的宽度和高度标志着它的容量，并且与推土机的功率相适应。但是，推土机级别不同，其推土铲宽度与高度之比则不同。一般来说，中小型推土机的推土铲的宽高比例较大，而大型推土机的则比较小。这是应为在不同的推土条件下，为保证其作业能力，推土铲应具备相应的比切力。换言之，由于比切力的要求不同，推土铲才有相应的宽高比例。因此，适应于不同级别芙蓉推土机的比切力，既是推土铲宽度和高度的决定因素，也是考核推土铲能否适应作业条件的评价或验证参数。在设计上，它的选取是要慎重加以考虑的。表4-1所列比切力值可供参考3。表4-1比切力参数土质条件土 壤 种 类IIIIIIIV刀片水平比切力（N/cm）150以下200300 400450600以上刀片垂直比压入力（N/cm2）100以下 120200 250350350以上切削刃的水平比切力： (4-1)切削刃的垂直比压力： (4-2)式中： Pkp履带式推土机额定牵引力，N； Bg推土铲宽度，cm； Pz推土铲在操纵油缸作用下压向地面，当推土机将发生抬头时的最大下压力F推土铲刃与土壤接触面积，cm2推土铲宽度 固定式推土铲的宽度比左右履带最外侧各宽度约100mm。若工作在轻型土质条件下，特别是推运散状物料时，还可以将它制成加长型。对于回转式推土铲，要保证在它回转到极限位置后，沿推土机纵向铲轴线方向看去，推土铲的投影宽度仍要保证每端各比履带最外缘宽出约100mm。这种宽出量是为了保证在作业过程中推土机能给自己开辟前进的道路，从而保证其作业质量，在平整土地的作业场合尤有意义。根据推土机总体结构布置，初步确定推土铲宽度，再按比切力加以验证： （4-3）推土铲高度，可由下面经验公式初步确定：固定式推土铲： (4-4)式中：pkp为推土机在推土作业速度下能发挥的额定有效牵引力，以10KN为单位代入式中（4-4）。按上式初步确定的高度也可按下法验证其是否可以采用，即根据推土机的生产率值算出推土铲的容量，在已知铲宽的情况下算出推土铲高度，并参考同类机型的有关尺寸作出决定。本次设计的是TY180型履带式推土机，所以铲刀的尺寸（宽X高）为39701050。表4-3所列推土铲高度值是根据经验公式（4-4）算出后加以圆整的，可供设计时参考。 表4-3 推土铲额定参数mm额定牵引力（KN）固定式推土铲推土铲高度具有挡板的推土铲高度12110013001812001400301400160060180033004.1.2推板的设计各主要参数的结构方位及符号如图4-1所示，不同形式推土铲的上述参数名称和数值如表4-4所示。表4-4 推土铲结构参数值 参数名称固定式推土铲参数名称固定式推土铲 切削角 55切削刃后角 30-35向前翻土角k 75曲面板曲率半径 Rg0.8-0.9Hg推土铲斜装角 70-75 曲面板曲率半径可按下式计算； mm （4-6）由所给参数可算出Rg=840mm在中等坚实度的土质条件下，表4-4推荐的参数可以保证推土机具有较高的作业效率。固定式推土铲的侧边做成直线形，并且具有5-7的后角，以利于偶尔用侧边铲土。挡土板垂直高度一般为（0.1-0.25）B,挡土板上边宽度Bk大于发动机罩的宽度，不小于推土铲宽度Bg之半。挡土板下边的宽度，固定式推土铲取其为推土铲宽。为了使推土铲能够在推土机直线前进时向任一侧推土，那样能够回转角。角选取得大，可以增强推土铲 向侧面的排土性能。当达到40时，可以使排土的生产率大大提高。但是实际上只能允许回转25，因为角过大，不仅在结构上难以实现，而且在侧向排土时，吐对推土铲的横向反作用力会使推土机失去直线行驶的稳定性。推土铲能在垂直平面内实现侧倾，其侧倾角为。这样，当推土机在斜坡（坡度为）上横着前进时，推土铲能在水平位置上工作。或者说，当推土机在水平面上行驶时可将地面平整成具有角的斜坡。当然，这样侧倾的角度是很有限的，当用螺杆调整时，为5，而用倾斜油缸调整时，可达（6-12）。4.2 推土作业阻力及整车牵引力计算4.2.1推土作业阻力计算推土作业阻力的计算工况是正常推土时作业阻力的最大工况。即机械在水平路面匀速行驶，铲刀以最大切土深度进行作业，铲刀前形成最大的土堆，切土结束即将提升铲刀的瞬间。作用阻力PD包括切削阻力PN，行走阻力Pf，坡道阻力Pi，惯性阻力Pj，风阻力Pw。1、切削阻力PN为计算切削阻力PN，只分析和计算PN在水平方向的分力Px，其受力分析图4-2所示。 （1）切土阻力P1P1=KbFo=KbhBgsin 式中：Kb单位面积土的切削阻力（Pa），一般取0.06106； Fo切削土层沿纵轴垂直方向的投影面积（m2）； h平均切土深度（m）； Bg推土板宽度（m），根据已知条件取3.97m； 推土板回转角（）。取90；P1=0.061063.97sin90h=2.38105h（N）（2）推土板前土堆运移阻力P2P2=Gtu2cossin=Vu2cossin/Ks 式中： Gt 推土板前土堆重力（N）； u2土与土的摩擦系数，一般取0.9； V推土板前土堆体积（m3）； 土的重度（N/m3），一般取1.77104； 坡度角（），取0； Ks土的松散系数，一般取1.06； 其中： V=Bg（Hg-h）2Km/2tan0=3.2（m3） h平均切土深度（m），取0.1； Hg推土板高度（m），根据已知取1.05； 0土的坡度自然角，一般取28； Km土的充盈系数， 一般取1.0；P2=3.21.771040.9/1.06=47982（N）（3）推土铲刀与地面间的摩擦阻力P3P3=104K2Bg1式中： K2刀刃磨损后压入土的比压力（MPa），一般取0.6； 刀刃磨损后的接地长度（cm）， 一般取1； 1 土与刀刃的摩擦系数， 一般取1.2；P3=0.63.751.2104=27000（N）（4）土屑沿推土板的上升阻力P4P4=Gtcoscos1cossin=90566（cos）2 （N）式中： 推土切削角（）其中： 则切削阻力；PX=P1+ P2+P3+P4=74982+2.38105h+90566（cos）22、行走阻力PfPf=Gsfcos 式中：Gs整机重量，取3.675105N 坡度角（），取0； f滚动阻力系数，一般取0.1；Pf=3.675104（N）3、坡道阻力Pi这里为了计算方便，取0Pi=Gssin=04、惯性阻力Pj这里取V1=V2Pj=Gsg（V1-V2）/tcos=0式中： V1推土作业时行使的初速度，（m/s）； V2推土作业时行使的末速度，（m/s）； t速度变化时间，（t）5、风阻力Pw由于推土机工作时行使速度较小，所以风阻力近似为：Pw=0综上所述，作业阻力为上述各阻力之和，即：PD=PX+Pf+Pi+Pj+Pw=111732+2.38105h+90566（cos）24.2.2推土牵引力根据履带式推土机的发动机特性如表4-6所示，在n=1350r/min时，发动机发挥最大扭矩，此工况为推土牵引力最大工况。表4-6 发动机外特性表转速（rpm）1000120013001400160018002000功率（kW）240.5296.8324.3353395.7413.3425.8扭矩（Nm）2296.72361.423822405.82361.42192.52032.9有效功率Ne（kW）230.9283.6309.8336.8373.7389.5400.3有效扭矩Me（Nm）2205.42256.72275.32297.222302066.51911.2此时发动机曲轴净输出功率；Ne=318.4kW，在除去液压系统功率消耗后，输出功率及牵引力计算如下；式中：传递至驱动轮的功率，（kW）； 发动机净输出之驱动轮的总效率，取0.786。=263 KN式中： V转速为1350r/min时I挡的行使速度，根据设计计算为3.341Kw/h。因不同路面的附着系数不同，整机重量提供的最大牵引力也不同，一般按附着系数0.7计算，整机可发挥的最大牵引力为263KN，小于发动机可提供的最大推土牵引力，与最大切削深度时的作业阻力相当，本文结构受力计算以最大切削深度时的作业阻力为输入条件。4.3最大外载荷的计算4.3.1推土机的附着性能推土机的附着性能指的是履带和地面之间相互作用所具有的抗滑转的能力，并由此得出推土机所能发挥的最大驱动力。履带推土机是依靠驱动力去克服各种行驶阻力和进行作业的，驱动力大小不但取决十发动机的输出扭矩，也受限十地面的附着条件。当推土机作业负荷较小时，驱动力主要是由履带和地面之间的摩擦反力产生的，此时滑转率很小。随着作业负荷的增大，履带与地面之间的摩擦也开始增大，履带滑转率增16。4.3.2最大附着力的计算附着力是根据土壤与推土机履带行走机构相互作用原理，用来限制驱动力发挥的一个力。它的大小与滑转率的大小有关，反映路面与履带之间附着性能的好坏。附着力大，说明路面与履带之间的附着性能比较好。附着力小，说明路面与履带之间的附着性能比较差。对应滑转率为100%时得出的附着系数，称为最大附着系数，相应的附着力为最大附着力。最大附着力常用下式计算； = (4-7)式中： 最大附着系数； 作用在履带支撑承面上的整机重量。这里根 据已知条件得TY180的整机重量为18500kg。从最大附着力公式可以看出，最大附着力的大小不仅取决十推土机的机重，还取决十最大附着系数。对十同一推土机来说，机重是一定的，但是最大附着系数并不是所有的路面都是一样的，不同的路面最大附着系数是不一样的，所以不同路面的最大附着力也是不一样的。不同路面下的最大附着系数值如表4-7所示表4-7 不同路面条件下的值 路面土质 max 路面土质 max 混凝土 0.45干粘土0.9湿粘土 0.7 压实粘土0.7干沙土 0.3湿沙土0.5岩石土0.55压实雪地0.2坚实土路0.55松散土路0.45冰0.12松散砾石0.36本次设计选用的路面为干粘土，干粘土路面的最大扶着系数比较大，最大附着系数值为0.9.由公式（4-7）,计算得推土机最大附着力为；=0.9185009.8=163 KN4.3.3推土铲最大外载荷的计算推土铲在水平方向上受力的最大值是当推土机具有最大顶推力和惯性力时出现的，即推土铲顶到障碍物，履带滑转时出现的。取动载系数为1.5,那么推土铲顶到障碍物所受的最大水平力为: =1.5 =1.5163170=245 KN （4-8）因为水平最大负荷245KN小于最大牵引力263KN，所以负荷计算要求。4.4 作业强度的计算4.4.1推土铲的强度计算由式4-8知推土铲所承受的最大受力，则顶推架所受力为=，如图4-3所示。根推土板在外力作用下，在其断面上作用在轴力MW，弯矩NW，从NW图可见推土板中间截面及顶推架的中间截面弯矩最大，当确定某一截面为校核的危险F截面后先找出其中心中间的位置，截面中间的位置由下式计算：（m） （m）初步确定各段横截面积为2000mm2、3350mm2、4800mm2、4100mm2、17332mm2、14000mm2。则X=142mm Y=513mm计算惯性矩：=+a2A=+b2A求解得：=1.2710-4=5.6910-4则各部分惯性积得： =1002002000=410-6 m4=2.110-4=0依次可算出Jxy0=1.6510-3 m4则0=42前面已知KNm 截面的正应力：根据强度计算许用应力=sn：式中：材料的屈服强度极限，由于所选材料为16Mn钢 n安全系数，设计手册中规定n=1.11.5，考虑工程机械工作繁重， 作业条件恶劣及计算误差，一般取n1.5，这里取2.5。=144 M25.2 M，即铲刀强度足够。最大，最小惯性矩值按下式计算：代入已知数据得： （计算各位移量是用到）由于推土板厚度与宽度，高度之比小得多，剪应力按薄臂扭转计算扭转中心坐标：其中： E截面各部分材料弹性模量 ，截面各部分惯性矩 ，截面各部分坐标求解：又由：= 41 计算惯性矩： 由公式： （6-11） 包围在外形中线以内的面积 外形构件壁的厚度 整个外形中线的长度代入数据得： 则 各部分切应力由下式计算：，又 推土板中间截面总应力按第三强度理论计算： 符合要求。4.4.2斜撑杆强度计算斜撑杆的强度计算如图4-4所示：M1=Pxh1=45372 NmM2=S1h2cos=37254 Nm由MB=0M1-M2P2L5+S1l6sin-PA（h2+h3）=0得PA=28 KN由MA=0M1-M2P2L5+S1l6sin-PB（h2-h3）sin=0得PB=46.3 KN斜撑杆面积FB=4（752-612）=98410-6 mm2斜撑杆强度=PB2FB10-6=23.52 MPa144 MPa 符合要求。4.4.3顶推架强度计算顶推架铰点反力，由力平衡求得：MZ=0xc12b-Px（2b+c）s1bsin=0得 xc1=225 KNMx=0Ggb+PZ（2b+l）-S1bsin+Zc2b=0得Zc1=22.4 KN斜撑杆力和销轴的力和按顶推架平衡条件计算：MA1=0Zc1l1-PB1d-Xc1m=0得PB1=92 KN但上述结果是假设铲刀中心线受载荷左右两撑杆受力相等，但因Px，Pz作用在铲刀一侧，计算时PBP=2PB1斜撑杆受轴向力小。XA1=Xc1+PBqcos2=387.1 KNZA1=Zc1-PBqsin2=46.4 KN把Xc1和Zc1投影到轴轴Xc1=Xc1cos1+Zc1sin1=186.8 KN顶推架a-a截面为危险截面，该截面受以下力：水平 M=Xc1l1=186.8270=50436 Nm垂直 M=Zc1l1=1.32000=26000 Nm 轴向力；N=Xc1+PBPcos（1+2）=375.6F=BH-bW=638410-6W=2.1210-4 m3W =3.0110-4 m3144 MPa 符合要求。4.4.4铰销轴的计算铰销轴的计算如图4-5所示：P1为顶推架的受力，即推土机的最大负荷的一半，d是孔的直径。剪切强度条件:挤压强度条件:d=max（d1，d2）=39.5mm强度条件:式中：许用剪切应力； 许用挤压应力； 1许用拉应力。根据强度要求初步确定顶推架的厚度为100mm，宽度b54mm，孔的直径为40mm。第五章 推土机液压系统的分析5.1液压系统压力的确定 系统压力选定的是否合理，直接关系列整个系统设计的合理性。在设计一个新的液压系统时，最佳的工作压力应是在特定的条件下各项设计因素的较好结合这些因素主要包括以下几个方面。 1经济和重量因素 在液压传动中，系统所传递的功率是压力和流量两个参数的乘积，这就说明这两个参数是紧密相关的。如果系统功率一定，系统压力选得低，则元件尺寸大，造成主机体积变大，自重增加，是不经济的。若选取较高压力，则元件尺寸减小，主机结构紧凑，重量减轻，较经济。但继续提高系统压力，也会出现相反情况，相应元件强度要增加，材质要提高，制造精度也要提高经济效果变差。重量与尺寸在固定式机械中，不是最主要因素，但在自行式工程机械中，尺寸和质量就成为一个较突出的设计因素。 2其他因素 (1)提高系统工作压力，将对密封装置、元件和辅件的加工精度提出更高的要求。 (2)提高系统压力，会降低液压元件的存积效率，导致系统发热增加。 (3)系统压力的提高，会使元件、辅件寿命降低，系统可靠性下降。 对推土机液压系统来说，系统压力般为1420MPa，属于中高压，但大型推土机也有向高压发展的趋势要满足推土机的作业要求，在整机匹配上，工作装置油泵消耗的功率，一般占总功率的30一40，所以大型推土机的系统压力采用高压级范围(20MPs)。这里选取系统压力为16MPa。5.2计算油缸尺寸1计算油缸尺寸油缸的有效面积和活塞杆直径，可根据油缸负载的平衡关系式得出。油缸无杆腔(大腔)为工作腔时(参阅图61)： （5.1）油缸有杆腔为工作腔时： （5.2）油缸工作腔压力MPa，油缸回油腔压力，MPa，油缸大腔有效面积，m （5.3）油缸小腔有效面积，m （5.4） D油缸活塞直径，m d油缸活塞杆直径，m； F油缸的最大外负载，N； 油缸的机械效率，一般取0.9一0.97。当油缸有杆腔为工作腔时，F即为油缸提升力，推土工作装置为双杆提升，即，为零，如图51（b）所示；由此得： （5.5） 图51 液压缸计算分析图 当按以上公式决定油缸尺寸时，需先确定d/D比值，当活塞杆受拉时，一般取d/D0.3一0.5，压力高的取小值，压力低的取大值。 当活塞杆受压时为保证活塞杆工作的稳定性，d/D比值应较大，一般取d/D=0.5一0.7。可根据油缸往返速比的要求来选取，其中、分别为油缸正反行程速度。取d/D=0.5，得： D=97mm d=48.5mm 1.1 1.2 1.33 1.46 1.61 2 d/D 0.3 0.4 0.5 0.55 0.62 0.7最后油缸直径D和活塞杆直径d应整为国家标准值。取D=100mm d=50mm还需指出的是，由初选的系统压力出发，按油缸最大负载，算出其结构尺寸，再按尺寸的标准系列取标准值后，再复算油缸的工作压力，即为实际的系统压力。 =15.11MPa 跟据最大切削深度和最大提升高度选取液压缸行程为950mm5.3 推土机液压系统设计推土机工作装置包括铲斗和松土器，是推土机整机中的核心部分。工作装置的性能将直接影响着推土机的工作效率。推土机工作装置的动作分为推土板的垂直倾斜、升降以及松土器的升降运动。对于推土板的垂直倾斜运动，需用有控制推土板倾斜的液压油缸，因其只有倾斜运动，固液压油缸选为单活塞杆双作用液压油缸进行控制；而对于推土板的的升降运动，也可用单活塞双作用液压油缸进行控制。考虑到油缸的受力问题，可在两边个装一个液压油缸，使其受力均匀；同理，松土器的升降运动同样可采用单活塞双作用液压油缸进行控制，以满足要求。对于铲刀垂直倾斜油缸，当其工作时，即控制阀的中位时，油泵产生的压力油要直回油箱；而当其工作时，操纵控制阀，压力油又能改变方向从而使油缸活塞杆能产生不同的运动方向，即收缩及拉伸运动。要满足上述要求以及考虑到人体手感的舒适敏捷性，选控制阀三位六通手动换向阀进行控制。铲刀升降油缸是综合上述两种情况选择控制阀的。其不同在于铲刀有四个工作位：举升、保持、下降以及浮动。因此其需选用四位六通手动换向阀。单向阀的选择与松土器的选择一样。上述三种油缸还需满足他们产生的运动不能同时产生，否则就会产生干涉。经上文分析，推土机液压系统原理图如图所示。图5.2 推土机液压系统图1、12、14油滤清器 2变矩器回油泵 3变
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