交通建设与装备综合课程设计-SD320D沙漠型推土机工作装置的设计.doc

交通装备综合课程设计 2015-2016第 1 学期姓 名： 学 号： 631224180108 班 级： 装备1201班 指导教师： 成 绩： 日期：2016 年 1 月142012级交通建设与装备专业课程设计摘要SD320D沙漠型推土机工作装置的设计摘 要推土机是一种多用途的自行式施工机械，用来铲挖并移运土壤、砂石等物料。在公路施工中，通常用推土机完成路基基底的处理、路侧取土横向填筑高度不大于1m的路堤、沿公路中心纵向移挖作填完成路基挖填工程、傍山取土侧移修筑半堤半堑的路基。推土机由于受到铲刀容量的限制，是一种适用于短距离运料的重要土方施工机械。推土机经济运距一般在5080m。本设计从SD320D沙漠型履带推土机的工作原理考虑，采用固定式直倾铲机构。主要进行了履带推土机的工作装置结构类型的选择、推土铲主要参数及结构尺寸的确定、推土铲工作装置强度计算以及铲刀强度校核计算，最后完成了铲刀以及整个工作装置的结构设计。关键词 ：SD320D沙漠型履带推土机，工作装置，铲刀，直倾铲，设计2012级交通建设与装备专业课程设计目 录第1章.推土机工作装置结构类型11.1工作装置结构组成11.2推土铲的结构组成31.2.2推土板的纵向结构41.2.3推土板的断面结构4第2章.推土铲主要参数及结构尺寸的确定52.1铲刀的基本尺寸52.1.1铲刀高度52.1.2铲刀宽度62.2推土板角度参数的选择62.3推土板曲率半径82.4推土板直线部分及档土板尺寸82.5顶推架于台车架的铰点位置82.6铲刀钢板厚度9第3章.推土机工作装置的强度计算103.1土壤的切削性能103.2推土机作业阻力计算113.3推土机受力分析13第4章 推土机铲刀的强度校核计算164.1确定受力最大的计算位置164.2超静定力计算164.3斜撑杆强度计算234.4顶推架强度计算244.5铰销强度计算25参考文献26第1章.推土机工作装置结构类型1.1工作装置结构组成推土机的工作装置主要是推土铲，按顶推架的形式分为直倾铲和角铲两大类，如图1-1所示。推土机的后部还可装备有附属工作装置，如松土器、绞盘和牵引钩等，在大型推土机上还配置有平衡重。1 张炳根，推土机运用与维护M，北京：北京大学出版社，2010。图1-1直倾铲和角铲结构另外，现代推土机往往在固定式铲刀上面加装一些附加装置以实现一机多用，如倾斜加宽板、侧边集土板、延伸推土板、前后松土齿、除荆器、开沟器、载重叉、助推板等。直倾铲也被称之为固定式推土铲，角铲又被为回转式推土铲。现代大中型履带推土机，可安装固定式推土铲，也可换装回转式推土铲。通常，向前推挖土石方、平整场地或堆积松散物料时，广泛采用直铲作业；傍山铲土或单侧弃土，常采用斜铲作业；在斜坡上铲削硬土或挖边沟，可采用侧铲作业。2 李自光，公路施工机械M，北京：人民交通出版社，2005。2直倾铲作业是推土机最常采用的作业方法，固定式铲刀较回转式铲刀自重轻，使用经济性好，坚固耐用，承载能力强，一般在小型推土机和承受重载作业的大型履带式推土机上采用。3 周萼秋，现代工程机械M，北京：人民交通出版社，1997。3本次设计是以SD320D-沙漠型履带推土机为依据，马力,发动机功率，转速，整机使用总量，直倾铲容量，角铲容量，半U型铲容量。1.1.2直倾铲直倾铲一般作为履带推土机的标准配置，其推土铲刀与车架轴线固定成直角，也称为直铲式推土机。直倾铲的框架与连接部分都比较坚固，适于中、短距离的重切削推土作业。如图1-2所示。图1-2直倾铲结构图（背面）1-刀角；2-刀片；3-推土铲；4-角撑杆；5-倾斜油缸；6-顶推梁；7-耳座；8-斜撑杆顶推梁是用高强度钢板焊接成的箱形梁，其左端通过十字接头与推土铲铰接，右端与固定在台车架上的轴座铰接。顶推梁与斜撑杆、角撑杆、倾斜油缸一起组成铲刀架。在铲刀提升油缸（图中未画出）的作用下，铲刀架和安装在铲刀架上的推土铲一起绕顶推梁右端铰接点摆动，实现推土铲的提升和下降。推土作业时，若操纵推土铲倾斜油缸使其伸长，可使左刀角升高、右刀角降低，使推土铲右倾，从而可利用右刀角强制切土，还可使履带处于左低右高的斜坡上推出平面来；反之，使倾斜油缸缩短，可使推土铲左倾。作业时可根据不同工况，操纵倾斜油缸使推土铲在垂直面内左、右倾斜。根据土质情况不同，可以调节斜撑杆的长度，改变推土铲的铲土角度。当土壤较硬时，调短斜撑杆，使铲土角变小一点，这样推土铲容易切入土壤；而当土质较松时，可把铲土角调大一点。在调整斜撑杆的长度时，为使铲刀仍处于水平位置，铲刀倾斜油缸也应相应伸长或缩短，否则，推土铲的侧倾角也会改变。1.1.3角铲角铲又被为回转式推土铲。如图1-3所示，推土铲通过两边上撑杆、下撑杆和中间铰销铰接在拱形架上，而拱形架通过耳座铰接在台车架上。提升油缸的伸缩带动拱形架绕耳座上下摆动，从而实现推土铲的提升和切土动作。角铲推土板比直倾铲宽，高度则小很多，因此铲刀容量有所减少；并且推土板的板壁较直倾铲有更大的曲面弯度，容易使土壤翻滚和升起，可以减少推土阻力，但是也容易形成扬尘，特别是在沙漠地区。图1-3角铲结构图1-推土板；2-斜撑杆；3-顶推门架支承；4-推杆球状铰销；5-推土板推杆；6-顶推门架由于SD320D履带推土机适用于沙漠地形的特种机械，而沙漠及其周边地区，由于植被破坏或草地过度放牧或开垦，土壤因失去水而变得干燥，土粒分散，被风吹蚀，风蚀严重，土质较干且粗松，易旱易热。结合地形地貌等特点，加上角铲的容量较直倾铲小，在沙漠荒野地区，考虑宜采用直倾铲型式的结构进行设计。4 丁兴华，推土机工作装置的选择J，建筑机械，2005(5)：49-50。1.2推土铲的结构组成推土机的工作装置也称铲刀，它包括推土板，顶推架，铲倒升降机构等。而推土铲一般是由推土板和可拆卸式刀片、刀角等组成。刀片、刀角均为易损件，安装在推土板的切土处。当刀片磨损到一定程度以后，可卸下刀片，调转180安装，以延长其使用寿命。1.2.1推土板的横向结构推土板的横向结构外形为直线型，直线型推土板切削力大，但推土板两侧有土遗漏现象。推土板前土形成的时间较长，因此它主要用于短距离土的剥离和运输。如图1-4所示。图1-4推土板横向结构1.2.2推土板的纵向结构推土板纵向外形结构为复合型，下部为直线段，上部为圆弧段。如图1-5所示。图1-5推土板纵向结构1.2.3推土板的断面结构推土板由钢板焊接而成，其断面有开式、半开式、闭式等三种结构形式，分别如如图1-6所示。图1-6推土板断面结构第2章.推土铲主要参数及结构尺寸的确定2.1铲刀的基本尺寸根据简明建筑施工机械实用手册5 中国建筑协会建筑机械设备管理分会，简明建筑施工机械实用手册M，北京：中国建筑工业出版社，2002。及山推官方网站查阅得到，山东山推工程机械SD320D履带式推土机的一些主要性能参数，如表2-1所示。表2-1 SD320D主要性能参数发动机 外形尺寸型 号额定输出功率（KW）额定转速（r/min）最大扭矩（N*m）长（mm）宽（mm)高（mm)NTA855-C36023520001440688041303640推土铲松土器宽度（mm)高度（mm)最大提升高度（mm）最大切土深度（mm)齿 数最大提升高度(mm)最大松土速度（mm)4130159015605601，3883842SD320D沙漠型推土机是根据沙漠作业工况的需要在SD320标准型的基础上自主研发的，适合沙漠、荒漠等地区的土方作业。如图2-1所示。6 山推SD32推土机J，建筑机械,2012(7)：80-81。图2-1 SD320D沙漠型履带推土机实物图2.1.1铲刀高度铲刀的高度，铲刀支地沿地面垂直方向量出的高度称为铲倒高度，铲倒高度取决于发动机的额定功率，可按以下经验公式确定： 式中: 根据SD320D主要性能参数，确定。2.1.2铲刀宽度铲刀的宽度，即是铲刀切削刃外轮廓宽。推土机铲刀必须有自身开辟道路的能力，因此铲刀宽必须每边大于行走装置。当铲刀高度确定后，也可以根据经验公式确定铲刀的宽度： 式中: 根据SD320D主要性能参数，确定。2.2推土板角度参数的选择推土板的形状对减少推土机作业过程中能量消耗，提高作业效率有很大关系。合理的推土板外形，土的切削阻力较小，土屑沿推土板面向上滑移时，摩擦功消耗较小，并且土屑在向上滑移的同时，向推土板前面翻落，容易形成较大的土堆。不合理的推土板外形，使土的切削阻力增加，土屑在向上运动及向前翻滚时杂乱挤出，这样就加大了土屑间摩擦力，增加了能量的消耗。对于同样的土，当切削面积相等时，推土板外形稍有改变，切削阻力就随之改变，所需的顶推力也就不同。推土板角度参数包括切削角，后角，刀刃尖角，前翻角，挡土板安装角，推土板斜装角，挡土板垂直面倾斜角。推土板各角度如图2-2所示。图2-2推土板角度参数（1）切削角的选择 切削角是铲刀支地，刀片与地平面间夹角，越小土的切削阻力就越小，由于推土机正常作业时，必须保证后角大于。因此必须选择一个合理的使能满足要求。（2）后角的选择 后角是刀片后端斜面与地平面的夹角，若，由于地形起伏会出现刀片背后接地现象（此时），从而增加摩擦阻力，使切削能力降低。若太大，则推土阻力明显增大。故选为。 （3）刀刃尖角的选择 刀刃尖角是刀片前后面夹角，过小刀片强度减弱，过大引起后角过小。故选为。（4）前翻角的选择 前翻角是推土板最上缘切线与水平面夹角。的选择主要考虑使土屑沿推土板上缘向前翻落性能良好。选为。 （5）推土板回转角的选择 推土板回转角是指在水平面内，推土板与推土机纵轴线的夹角，对于固定式铲刀。取。 （6）推土板倾斜角的选择 推土板倾斜角是在垂直面内推土板与地平面夹角，有了角能使推土机在坡地上，横向推出水平切土面，以及在平地上推出横坡，另外对较坚硬土可用角铲作业（铲刀尖肯地）。的调整范围，取为。 （7） 挡土板安装角的选择 挡土板安装角是推土板上部挡土板与地平面的夹角，取，加装挡土板的目的是防止土屑往推土板后面翻落并增加推土板前积土量。（8）推土板斜装角的选择 推土板斜装角是整个推土板与地面倾斜安装的角度。过小，一方面土屑易从推土板上缘往后翻落，另外，由于推土板上积土太多而引起铲刀提升阻力增加，过大，则随着切削角增大，使得土屑上升变形加大，增加切削阻力。取。 推土板角度参数值的选择见表2-2。表2-2 推土板角度参数角度参数固定式铲刀推荐值切削角555510回转角9090（水平面内）倾斜角10810后角303035刀尖刃角3030前翻角757075推土板斜装角7575推土板安装角90901002.3推土板曲率半径推土板曲率半径是铲刀的重要参数之一，它直接影响到推土机的作业性能。当推土板高度一定时，为了不使土屑向推土板后面翻落及增大铲刀前面的积土量，宜小些，而为了减小土屑上升阻力及卸土干净，值又宜大些。因此确定时要综合考虑上述因素，其中不使土屑往推土板后面翻落是主要因素，也就是要求,一般需满足,通常取。即取。2.4推土板直线部分及档土板尺寸 固定式铲刀推土板采用下部为直线段的复合形推土板，下部直线部分用来安装刀片，直线部分等于刀片宽度。 取，推土板垂直高度根据总尺寸确定。2.5顶推架于台车架的铰点位置 顶推架铰接在台车架上，其铰点位置影响铲刀升降机构的运动，它与铲刀升降高度、顶推架长度等参数有关。 顶推架铰点位置对台车架的受力状况影响很大，尤其当铲刀受到偏载及横向力时，太靠前则台车架发生较大形变，太靠后则推土机易前翻。为了使铰点反力均衡的(纵向和横向)传至台车架和八字架上，避免台车架受力过大发生形变，铰点位置一般选在八字架与台车架联接中点的附近。如图2-3所示。图2-3推土机机架及整机实物图2.6铲刀钢板厚度推土板及顶推架均是钢板焊接部件，钢板厚度由刚度和强度条件确定。推土机铲刀需要特别强硬和耐磨强度极高的耐磨钢板，厚度在的高强度耐磨钢板。SD320D型号的推土机适用于沙漠、荒野等地区，沙漠昼夜温差大，沙漠的沙质既干又细，散沙经常会被风吹来吹去而形成沙丘或沙坑。综合考虑沙质土轻散的特点，本次沙漠推土机SD320D设计取钢板的厚度为进行强度设计。第3章.推土机工作装置的强度计算3.1土壤的切削性能表3-1 几种土壤的粘聚力C和重度塑性土壤种类 粘土 亚粘土 亚砂土C/MPa/(KN/m)C/MPa/(KN/m)C/MPa/(KN/m)硬性0.10021.50.06021.50.02020.5半硬0.06021.00.04021.00.01520.0低塑0.04020.50.02521.00.01019.5塑性0.02019.50.01519.00.00519.0高塑0.01019.00.01018.50.00218.5流动0.00518.00.00518.00.00018.0表3-2 土壤的自然坡度角 种类状态碎石砾石砂石粘土轻 亚粘 土种植土粗砂中砂细砂肥土贫土干354030383545504040湿454032353035403035饱和253527252015302025表3-3 土对钢和土对土的摩擦系数、土壤名称砂土和亚砂土0.80.35中质亚粘土1.00.50重质亚粘土1.20.80土与钢的摩擦角，土壤内摩擦角。表3-4 各种土壤的切削比阻力及刀刃入土比阻力（MPa）土级别土的名称砂、砂质上、中等湿度的松撤粘土、种植土0.010.030.25枯质土、中纲砂砾、松散软粘土0.030.060.6峦实枯土质、中等钻土、松散粘土、软泥炭0.060.131.0合碎石成卵石的枯土、雹湿枯土、中等坚实石砾0.130.251.2中等页岩、得于枯土、坚实而硬的黄土，软石膏0.250.321.4表3-5 履带行走机构在各种地面的滚动阻力系数和附着系数支撑面种类滚动阻力系数附着系数铺砌的路面0.050.60.8干燥的土路0.070.80.9柔软的砂质路面0.100.60.7细砂地0.100.450.55收割过的草地0.100.70.9开垦的田地0.100.120.60.7冰雪冻结的道路0.030.040.23.2推土机作业阻力计算以推土机在水平地面匀速行驶，铲刀以最大切土深度进行作业，当切土结束提升推土铲的瞬时所产生的最大作业阻力作为计算工况，其作业阻力主要有：切线切削阻力，铲刀前积土的推移阻力，刀刃与土壤摩擦阻力和土屑沿铲刀上升时的摩擦阻力的水平分力。7 杨士敏，推土机作业过程中推土阻力的测量J，工程机械,1995(3)：20-35。（1）切线切削阻力设的作用点在铲刀刃前，作用方向沿铲刀切削角底边并与推土机前进方向相反，则可得: 式中：图3-1 推土铲平均切削深度计算式中：（2）铲刀前积土的推移阻力 式中： 式中： （3）刀刃与土壤摩擦阻力式中： （4）土屑沿铲刀上升时的摩擦阻力的水平分力式中:综上所述：推土机的作业阻力为：上述作业阻力计算时，没有考虑铲刀碰撞障碍物时的冲击载荷的影响，当铲刀碰撞到难以克服的障碍物时，推土机仍全力顶推，履带完全滑转，此时需考虑猛烈的冲击及惯性力，计算经验公式：式中: 3.3推土机受力分析推土机作业受力分析是强度计算的依据，也就是确定外载荷，同时为工作装置、履带台车架等零部件强度计算提供载荷依据。8 李绪永，孟令韩，王树凤，推土机工作装置的仿真和优化J，山东理工大学学报，2014第28卷第4期：36-40。（1）铲刀自重 液压推土机靠油缸力使铲刀强制入土，所以铲刀不必太笨重，铲刀自重在强度及刚度允许的情况下，可适当减轻。可以用经验公式确定铲刀自重：式中: （2）铲刀提升力计算 铲刀提升力是指提升装置的提升作用力，当铲刀遇到大障碍物，铲刀提不起来，而铲刀提升机构供给的提升力足以使推土机绕履带接地最前端（A点）倾翻。 以车体为脱离体受力分析，车体受力有：推土机车体重量,顶推架绞点支反力和，提升力，按内力平衡，、分别和、大小相等，方向相反。如图3-2所示。图3-2 铲刀提升力计算受力图履带接地最前端（A点）由受力平衡可得：以铲刀为脱离体受力分析，铲刀受力有：土的反力和,铲刀自重，顶推梁绞点 的反力和，提升力，此时提升油缸与地平面成角。由受力平衡可得：将上式结果和代入3.2.2式整理之后可得：代入尺寸计算可得： 考虑动载荷的铲刀提升力：第4章 推土机铲刀的强度校核计算4.1确定受力最大的计算位置由于作业条件和作业对象的不同，装载机在实际作业时不可能使铲斗切削刃均匀受载，但为计算方便可简化为两种极端情况。（1）认为载荷是沿着切削刃均匀分布，并以作用在切削刃中部的集中载荷来代替其均布载荷，称为对称受载。（2）由于铲斗偏铲或物料密度程度不均，使载荷偏于铲斗一侧，称为偏载。形成偏载时，可认为简化后的集中载荷作用在铲斗一侧第一段齿。9 吴永平，姚怀新，工程机械设计M，北京：人民交通出版社，2005。推土机在推土运输工作过程中，工作装置最大受力有以下情况：铲刀的水平土反力和顶推架绞点水平反力的最大值，适当推土机具有最大顶推力和惯性力时产生的。即推土板顶到障碍物，履带滑转时出现的。铲刀的土切垂直反力和铲刀升降力的最大值，是在推土板固定切削时或者以全功率提升及强制入土时产生的。推土机中部顶到障碍物，其计算条件为： （1）推土机在水平地面作业；（2）带土的推土板从切削位置提升到运土位置；（3）推土机功率足够大，在顶升推土板的同时，以最大顶推力向前，即可能使推土机翘尾失稳，同时履带滑转。4.2超静定力计算为了使铲刀有足够的高度，推土板和顶推架往往组成一个超静定构件，因此需要按解超静定方法进行铲刀的强度计算。 首先绘制计算草图，如图4-1所示，其中各件的几何尺寸和相互间位置，是根据总体布置要求确定。10 孙训方，方孝淑，关来泰等，材料力学（）M，北