TY180履带式推土机工作装置结构设计.doc

2012届机械设计制造及其自动化（工程机械）专业毕业设计（论文）TY180履带式推土机工作装置结构设计第1章 绪论1.1国内外推土机的现状、发展趋势1.1.1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。1.1.2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。国内的主要的发展趋势有：开发小型推土机。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。1.2设计的主要内容1.2.1主要内容本次设计主要内容是对TY180推土机的工作装置进行结构优化设计，提高工作稳定性和生产效率。提高生产效率主要是对推土机的铲刀、牵引架等工作装置进行结构优化设计，在满足正常使用情况下，进行进一步的深入改进，在结构上设计上不断突破，技术创新，使生产水平不断提高，工作稳定性进一步完善。1.2.2研究方法与实施方案研究方法：1.功能原理分析法：通过对推土机功能、原理的分析，分析推土机在使用中存在的问题，提出问题并分析原因，作出合理的解释判断，最终解决问题。2.可靠性设计：分析、计算机械零部件的运行寿命，铲刀、撑杆等构件必须能保证推土机寿命持久性，保证推土机运行安全可靠，因此必须进行可靠性设计。3.调查分析：通过调查，了解使用者对推土机性能的要求，以便在设计中植入这样的理念，更好的知道设计，让设计更贴切于实践。4.比较法：通过同类推土机的对比，明确所涉及推土机性能的优劣，作为设计工装装置构件的参考。5.计算法：根据功能效果，计算设计工作装置结构。实施方案本设计通过对国内外推土机的现状和发展趋势的分析，以及现在推土机的特点和在施工建设中所处地位提出研制出性能良好、工作可靠的推土机的必然性。同时由于设计制造技术的发展以及其特有的优点，因此设计出更高工作效率的推土机显得更加必要。通过对推土机的工作原理及基本结构的分析来确定推土机工作装置的基本参数。通过确定的各个参数以及基本情况来定性的设计工作装置结构，最后通过精确计算校核选取合理的结构尺寸。根据设计的工作装置结构，绘制装配系统图，最后对设计中遇到的问题给出观点和展望。完成后经老师验收合格即可。1.2.3关键技术推土机的主要工作装置就是铲刀，对铲刀结构的合理设计会提高推土机的整体性能，在设计前，先明确设计的重点，由于铲刀直接与地面接触，在作业过程中也有漏土现象，所以在设计中必须对铲刀的材料和整体结构进行分析设计，提高铲刀强度，减少磨损速度，推土过程中是土壤向铲刀中间移动，减少漏土，对铲刀边角的角度分析设计，从而到达这一目的。归纳起来就以下几点：1、TY180型推土机的基本结构和工作原理分析；2、TY180型推土机工作装置总成结构的系统分析；3、TY180型推土机工作装置总成结构系统设计。第2章 推土机的基本结构和工作原理分析2.1推土机的分类和作业对象2.1.1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。 2.1.2推土机的用途和作业对象 推土机是一种土方工程机械，以工业拖拉机或专用牵引车为主机。前端装有推土装置，依靠主机的顶推力对土石方或散状物料进行切削或搬运的铲土运输机械。广泛用于公路、建筑、矿山、水利工程中它担负着切削、推运、开挖、填积、回填、平整、疏松、压实等多种繁重的土石方作业，是各类工程施工中必不可少的关键设备。此外大型推土机加装松土器后还可以进行土石的劈松作业，加装多齿松土器可用于劈开较薄的硬土、冻土等。加装单齿松土器除能疏松硬土、冻土外，还可以劈松具有风化和有裂缝或节理发达的岩石。推土机的作业对象主要是各级土、砂石料及风化岩石等。在公路上程中推土机町用来填筑低路堤、开挖浅路堑、平整路线、修筑便道、开挖桥基和回填土方。推土机可以完成路基基底的处理、路侧取土横向填筑路堤、沿公路中心级移挖、傍山取土侧移工程。此外，推土机还可用于平整场地堆集松散材料，清除作业地段内的障碍物等。推土机虽然用途广泛但由于受到铲刀容量的限制推运土壤的距离不宜太长它只能完成短距离的运土。如运距过长，运土过程中土壤会从铲刀两侧漏失降低了推土机的生产效率运距过短由于换向、推土机的工作装置换挡操作频繁在每个工作循环中这些操作所用时间增加同样也会使推土机生产率降低。通常中小型推土机的运距为50m左右，大型推土机的运距一般不应超过150m。推土机的经济运距为50-80m。2.2推土机的结构2.2.1推土机的总体结构图1-1 推土机总体1-推土铲 2-电气系统 3-发动机 4-行走装置 5-机架 6-主离合器 7-万向节 8-操纵机构 9-驾驶室 10-变速器 11-柴油箱 12-后桥 13-松土器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，如图图1-2 回转式铲刀（a）铲刀平斜 (b)铲刀侧倾 图1-3 固定式推土铲1-刀角；2-切削刃；3-铲刀；4-中央拉杆；5-倾斜油缸；6-顶推梁；7-框销；8-拉杆现代大、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的切削角即改变刀片与地面的夹角。固定式推土铲较回转式推土铲质量轻、使用经济性好、坚固耐用、承载能力大、多用于小型推土机和承受重载作业的大型履带式推土机。斜铲推土机用回转式推土铲的结构组成如下图所示它由铲刀1、顶推门架6、推杆5和斜撑杆2等主要部件组成回转式推土铲可根据施工作业的需要调整水平和垂直面内的倾斜角度。铲刀水平斜置后可在推土机直线行驶状态下实现单侧排土进行平整地面、路基和回填沟渠等作业。铲刀侧倾后可在横坡上进行推铲作业或平整坡面，也可开挖边沟。图1-4 回转式推土铲1-铲刀 2-斜拉杆 3-顶推门架支撑 4-推杆球销 5-推杆 6-顶推门架为避免铲刀由于升降或倾斜而引起各构件间的运动干涉铲刀与顶推门架前端采用球铲连接与推杆、斜撑杆之间采用球铰或万向联轴器连接。当两侧的推杆分别铰接在推站架的中间耳座上时铲刀呈正直铲状态当一侧推杆铰接在顶推门架的后耳座上而另一侧推杆铰接在顶推门架的前耳座上时铲刀呈斜铲状态当一侧斜撑杆伸长而另一侧斜撑杆缩短时即可改变铲刀在垂直面内的倾角铲刀则呈侧铲状态调节左、右两斜撑杆的工作 长度保持其长度相等可改变铲刀的切削刀。顶推门架的后端铰接在底盘的台车架的球形支承上铲刀可绕其升降。上述其直铲推土机的作业过程是一个铲土、运土、卸土和空载返回的循环而斜铲推土机铲土、运土、和卸土则是连续进行的类似平地机的作业过程因此它扩大了作业范围提高了生产率多用于大、中型履带式推土机上2。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TY180履带式推土机采用的液力机械式传动，具体传动如图1-5所示。图1-5 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.因为轮胎式推土机较少。本文主要讲述履带式推土机的结构与工作原理。 推土机开挖的基本作业是： A.铲土 B.运土 C.卸土。 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。第3章 推土机的作业装置推土机的工作装置包括推土铲、顶推架和操纵油缸等，如图3-1所示。根据不同的工作场合的作业要求，可将推土铲分成不同的功率等级。中小型推土机，除了铲掘和推土不太硬的土质之外，还往往进行回填和向一侧排土，或者用推土铲之一角在地面开挖小狗，或者用来平整具有一定坡度的平面、总之，中小型推土机的作业种类多，应用范围广，因此，其推土铲要能够在水平面内回转，在垂直面内倾斜。而大型推土机的作业方式较少、应用范围较窄，主要要求它有强大的铲掘能力和推图能力，这样，装备有固定式直铲既能够满足使用要求，也要求推土铲能在垂直面内倾斜，以便利用铲尖作业或适应斜坡作业。图3-1 固定式推土铲a） 推土铲外形 b）切削角改变 c) 倾斜角改变1-顶推架 2-斜撑杆 3-推土铲升降油缸 4-推土铲 5-球铰 6-水平撑杆7-销链接 8-刀片3.1 推土铲3.1.1推土铲的性能推土铲的主要工作部分是切削刃和与其联接在一起的曲面板。切削刃是直接切土的零件，应有足够的耐磨性，强度和刚度。切削刃是易损件，因此它与曲面板之间的联接应设计成可拆联接。曲面板的作用在积土和推土，在整个铲土和推运过程中，如果切土和推土阻力很小，则标志其性能良好。（1） 切削刃 土壤切削实验的结果表明，切削刃的参数如切削角a、尖角b和后角c（图3-2）等对切削阻力有着显著的影响。一般认为切削角a在30时切削阻力最小。但还需要综合考虑多方面的要求，例如，为保证强度，尖角b不能小于20，由于切削原理和推土机实际工作时地形变化的需要，必须有后角c，其值通常在30左右。综上所述，切削角a通常以55左右为宜。图3-2 切削刃参数a-切削角 b-尖角 c-后角 s-切削刃接地宽度（2）曲面板 它的结构参数对土屑运动规律、积土容量、漏损、推运阻力都有影响。国外许多学者，例如Grabtoz、Dreos、Kuhu等人都用试验方法寻求过曲面板的较理想的结构参数。不同结构参数的曲面板对推土过程的影响基本上表现为两种性态；一种是被切下的土屑是呈层状曲面板卷成堆而前进(图3-4，a、b、c)；另外一种是土屑在曲面板前散涨挤成堆状（图3-3，d）。两种性态相比较，前者耗能少，后者耗能多，因此从效果来看前者较为宜。图3-3 曲面板推土性态a-抛物线状 b-I类渐开线状 c-II类渐开线状 d-散涨堆积根据Grabotz和Drees提出两种结构参数的曲面板并做了对比试验的结果，本设计用抛物线型曲面板，如图3-4.a图所示，图3-4 曲面板a-抛物线型 b-I类渐开线型 c-II类渐开线型然而，抛物线与圆滑的形状很近似，考虑到两者性能上也很近似，且圆弧的制造工艺性比抛物线好，所以现代推土机均采用圆弧曲面。3.1.2推土铲的结构见图3-5可见，曲面板与刀刃连接在一起，并在其背面和端面用钢板封闭成箱形结构。图3-5 推土铲的结构1-底板 2-托板 3-下支座 4-下横梁 5-球铰座 6-横版 7-角板 8-曲面板 9-上支座 10-上横梁11-后筋板 12-侧板 13-前加强板 14-侧加强板 15-刀角 16-切削刃 17-螺钉这样，既能减轻推土铲的重量，有加强了它的刚度，这是大型推土机的推土铲普遍采用的一种结构形式。从外形来看，推土铲有直线型和U型两种（图3-6）。直线型推土铲可以是固定式或回转式的。装在大型推土机上的推土铲的特点是；固定式、高而窄。它可以再保证应有的铲土容量的条件下具有大的比切力，以便有能力铲掘坚实土壤，然而它的推运距离不大。图3-6 直线型和U型推土铲a）大型推土机直铲 b）中型推土机直铲 c）U型铲直线型推土铲的缺点是在退运过程中两侧漏损严重，影响生产效率。因此专门用来长距离推运松散土壤或其他散状物料时，采用U型铲比较合适。3.2 顶推架顶推架是推土铲的支撑件。在结构上能保证推土铲实现各种作业位置。因此，设计时应首先满足运动学上的要求，当然，也要满足强度、刚度和耐磨性的要求。因此地面给推土机行走机构的强大推力，是经过顶推架传给推土铲的，它受到的作用力大而且复杂。目前对于大型推土机的顶推架，基本上有两种结构类型；一种是适用于回转式推土铲的拱形钢架；另一种是适用直线型固定式推土铲的直线型钢架。3.2.1拱形钢架目前已提到，它适用于回转式推土铲作业的动作要求，其中间突出，用铰、球与推土铲联接，并在两端各用两根斜拉杆将推土铲与拱形钢架相固定。调整相应撑杆的长度，就可以改变推土铲的切削角、侧倾角和回转角，并在操纵油缸的作用下实现推土铲的升、降动作。四根撑杆在正常位置时，推土铲处于正铲位置，如图3-7a所示，此时每端的两根撑杆所在的平面可以使平行的，也可以是不平行而呈某一夹角，但是它们的位置时相互对称的。同时等量地调整撑杆2、3，可以改变推土铲的切削角；同时缩短或者伸长撑杆1、3，而伸长或缩短撑杆2、4，侧可以改变推土铲的侧倾角，如图3-7b所示。调整撑杆长度时所能获得的角度变化量，很容易通过作图法加以确定。图3-7 推土机工作装置的调整a）正铲位置 b）侧倾位置在推土铲实现值的侧倾角时，每端的两份撑杆所在的新位置已经离开了它原来所在的平面，理论上讲这只有撑杆之两端各以球铰与推土铲和拱形钢架相连接时才有可能实现撑杆的空间运动。但是实际结构是撑杆与拱形钢架的连接采用平面运动的铰销。之所以允许用平面铰代替空间铰的原因，是由于调整的侧倾角很小，撑杆较长，因此撑杆的空间角位移量很小，铰销的配合间隙一般比较大，是以补偿撑杆空间角位移的需要。本此设计的是用的拱形钢架结构，这种结构受力可以补偿，结构稳定，广泛用于土石方开挖或平整路面施工当中。3.2.2直线型钢架从结构力学的观点来看，在相同的顶推力作用下，直线型钢架的受力情况比拱形钢架好。此外，在大型推土机上，如前所述，多为固定式推土铲，因此大型推土机多采用直线型钢架。直线型钢架有三种结构型式；即水平斜撑杆直接与推土铲相连接、具有横拉杆的铰接式顶推梁、与机体用横拉杆相连接的顶推梁。这种结构形式如图3-8所示，水平斜撑杆直接与推土铲相连接。这种方案的优点是结构简单、侧向力由两根顶推梁直接传给台车架。在这种结构形式下工作。顶推架的整体受力情况不均衡，推土机的运行不稳定，工作效率不高。图3-8 水平撑杆直接与推土铲连接a） 结构简图 b）受力简图第4章 TY180履带式推土机的工作装置结构设计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 12 1100 1300 18 1200 1400 30 1400 1600 60 1800 33004.1.2曲面板形状及参数图4-1 曲面板参数及结构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。图 4-2切削阻力图（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推土机最大外载荷的计算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 推土作业装置的强度计算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。图 4-3 顶推架及推土板的强度示意图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、48