-重型推土机工作装置设计学士学位论文

哈尔滨理工大学学士学位论文绪论课题背景推土机作为铲土运输机械中最具代表性的机种之一，它的发展代表了一个国家工程机械设计、制造的水平，因此在国内外企业界都受到高度重视。近年来，随着建筑施工和资源开发规模的扩大，对工程机械需求量迅速增加，因而对其可靠性、维修性、安全性和燃油经济性也提出了更高的要求。随着微电子技术向工程机械的渗透，现代工程机械日益向智能化和机电一体化方向发展。自20世纪90年代以来，国外工程机械进入了一个新的发展时期，在广泛应用新技术的同时，不断涌现出新结构和新产品。继完成提高整机可靠性任务之后，技术发展的重点在于增加产品的电子信息技术含量和智能化程度，努力完善产品的标准化、系列化和通用化，改善驾驶人员的工作条件，向节能、环保方向发展。推土机是铲土运输机械中最具代表性的机种之一，被广泛用于土石基础施工中。推土机在我国经历了修造、仿制改进、引进消化、嫁接改造等发展阶段。建国初期的很长一段时间内，我国尚无能力设计制造推土机这样的重型机械。1958年，天津建筑机械厂在前苏联斯大林80履带式拖拉机的基础上成功地研制出了推土工作装置，这是我国的第一台推土机—移山E80履带式推土机。其工作装置为绞盘控制，配置了干拉式离合器和转向离合器、板弹簧悬挂、螺杆张紧履带装置、支重轮为黄油润滑、汽油机辅助启动主发动机等。这就是我国第一代履带式推土机的雏形，也是相当长一段时期内国内推土机发展的基础。之后，我国进口了一定数量的推土机，让我们初步领略到了日、美等国先进的推土机技术。通过对进口样机的研究，国内企业开始探索借鉴进口产品的技术改进我国推土机的部分结构，包括将工作装置的绞盘控制改为液压控制，在仿制改进过程中也逐渐形成了一支自己的专业技术队伍，以日本小松的D80A-7、D80A-12、D80A-15等为样机设计开发了88kw（120马力）、103kw（140马力）和110kw（150马力）等不同功率的履带式推土机。改革开放给我国推土机行业带来了良好的发展机遇，从20世纪70年代末至今，我国已引进推土机近10个系列，16个基本机型。这些机型的引进，不但给我国推土机产品带来了先进的技术和专业标准，而且使我们通过各种方式接触到了先进的制造技术、工艺手段、检测手段以及全面质量管理等方面的内容，这些对在消化技术初期进行技术改造提供了很大帮助，并逐步实现了引进技术的国产化。在国内建立了专业零部件的配套生产厂家及新材料研究生产基地的同时，也相应带动其他产业的发展。液力机械传动技术很快成熟并成为主流传动形式。目前，我国推土机的技术开发显现出巨大的活力，面对世界市场的竞争和挑战，各生产厂家加大了新产品研制和开发的力度。2001年宣化工程机械股份有限公司SD7、SD8系列高驱动履带式推土机通过技术鉴定，已小批量投放市场；TYl65推土机研制成功。其TYl80C、TY320C推土机采用了模块化设计、低噪声驾驶室、末端行星传动、片式制动器、先导操纵、浮动行走系统、机电一体化监控等先进技术。郑工集团开发出了TLK220高速轮式推土机新产品，已通过了国家工程机械质量监督检验中心严格的性能测试和1200h的可靠性试验，并通过了技术鉴定。三一重工最新研制开发的TQl60、TQ230全液压推土机，填补了国产推土机在这一领域的空白，代表了国内推土机的发展方向，具有当代国际先进水平。我国履带式推土机研发制造领域同先进的工业国家之间还存在着不小的差距，但这种差距正在缩小。研究的目的与意义目前，我国履带式推土机研发制造领域同先进的工业国家之间还存在着不小的差距，但这种差距正在缩小。推土装置是履带式推土机的重要部件,其设计参数的优劣将直接影响到推土机的性能。因此，对履带式推土机工作装置结构优化设计尤为重要，通过了解履带式推土机结构和工作过程的基础上，对履带式推土机工作装置进行设计和改进一些参数。完成履带式推土机工作装置结构设计，绘制履带式推土机整体布局图，履带式推土机作业工况下的极限位置图，以及工作装置各个部件的零件图。研究方向本次设计要求在了解履带式推土机整机结构、工作过程的基础上，优化设计履带式推土机工作装置。履带式推土机工作装置结构：推土工作装置是推土机的重要组成部分。推土工作装置是推土机的重要部件，设计参数的优劣将直接影响其的性能，因此其结构直接影响推土机的使用性能和工作效率。在一定程度上，推土工作装置的结构和性能体现了推土机的设计和制造技术水平。随着推土机技术的不断发展，推土工作装置结构形式也在不断翻新。推土工作装置的推土铲、顶推臂、提升油缸、倾斜油缸等组成多自由度的空间机构,它们之间存在密切的关联因素,其铰点位置的变化将会影响到推土装置的性能。推土工作装置是推土机的执行部件，故推土工作装置在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受工作阻力。重型推土机工作装置的设计通过这次推土机工作装置设计，掌握推土机的工作过程原理，并自行设计推土机工作装置的结构，使机械达到运动要求。当前由于推土机是机械传动驱动，液压系统控制的，在土石方工程中被广泛应用。通过本次毕业设计，对大学四年中所学到的知识进行一次重新的理解和运用，增加实践经验，拓展自己的视野。推土机工作装置的组成推土机的工作装置有推土铲、松土器、绞盘和牵引钩。中小型推土机发展的早，使用时间长，由于其作业对象是中等坚实度的土质仅用推土铲即可完成铲掘和摊运任务，因此推土铲被公认是推土机的传统工作装置。随着经济建设规模的不断扩大，要求推土机的铲掘能力进一步提高，但不能只用提高牵引力的办法来铲掘岩石和硬度很大的土质，而是为大、中型推土机配备了松土器。先将坚硬土质用松土器松散之后，再用推土铲进一步铲掘和摊运。可见，松土器已成为大中型推土机不可缺少的工作装置。绞盘装在推土机后部，用来进行拖拽圆木、铺管、牵引作业和简单的起重作业。推土铲的设计如图2-1，推土铲包括铲刀（推土板）、顶推架和操纵油缸等。推土铲安装在推土机的前端，当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[3]。1-刀片；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（斜撑杆）图2-1推土铲推土铲结构的确定推土铲的横向结构形式推土铲铲刀的横向结构外形一般有直线形和U形两种，根据不同场合的需要还有半U铲、环卫铲、电厂铲、沙漠铲、湿地铲、岩石铲、万向铲等。直线形推土铲可以是固定式（直铲）或回转式（角铲）。直线形推土铲切削力大，但推土铲两侧有溢土现象，推土铲前土堆的形成时间较长，因此，主要用于短距离土的剥离和运输。而U形推土铲的集土、运土能力较大。因此它主要用于运土距离较远的堆积场地。取直线形推土铲（固定式）。推土铲的纵向结构形式推土铲纵向外形结构，有圆弧型和复合型两种。复合型推土铲除了有圆弧段外，还有直线段，直线段大多在下部，也可以在上部。固定式铲刀推土机往往采用下部为直线段的复合型推铲。回转式铲刀推土机往往采用圆弧型推铲这是因为在斜铲作业时，推土阻力小，平地效果好。取下部为直线段的复合型推铲。推土铲的断面结构形式推土机断面的结构形式有开式、半开式、闭式三种形式，如图2-2所示小型推土机一般采用结构简单的开式推土铲；中型推土机长采用半开式推土铲；大型以上推土机作业条件恶劣，为保证足够的强度和刚度，需要采用闭式推土铲。(a)开式(b)半开式(c)闭式图2-2推土铲的断面结构形式推土作业装置主要参数及结构尺寸的确定铲刀高度和宽度这两个参数决定了推土机的推土容量，因此是决定推土机生产效率的重要参数。(1)铲刀高度铲刀支地，沿地面垂直方向量出的铲刀高称为铲刀高度。铲刀高度取决于发动机的额定功率。可按经验公式确定（2-1）式中：—为推土机在推土作业速度下所能发挥的有效牵引力，以10KN为单位。则：(2)铲刀宽度是指铲刀切削刃外廓宽。推土机铲刀必须有自身开辟道路的能力，因此铲刀宽必须大于两侧履带每边25～35mm。一般来讲，用同一主机，在要求相同容积的土方作业时，可用不同宽度的推土铲，土壤越是松软，宽度可相应大些。当铲刀高度确定以后，可以用经验公式确定铲刀宽度的值。（3-2）取：mm推土铲角度参数推土铲的角度参数包括切削角δ、后角α、前翻角、推土铲斜装角ε、挡土板安装角、推土铲水平面回转角φ、推土铲垂直面倾斜角ξ等如图2-3。图2-3铲刀角度示意图(1)切削角δ是铲刀支地，刀片与地面间的夹角。切削阻力与δ有关，δ越小，切削阻力就越小。通过试验得出结论：δ在～时切削的阻力最小。但是，由于推土机作业时，必须保证后角α>，因此δ过小不仅使α得不到保证，而且会引起刀刃尖角过小，使刀片强度受到影响。所以，在实际设计时，一般取δ=（～）±。取δ=52°。(2)后角α是刀片后段斜面与地平面的夹角。一般取α=～。上面已经提到，α最好不能小于，否则，由于地势起伏会出现刀片背后接地现象，从而增加摩擦阻力，降低切削能力。取α=。(3)前翻角是推土铲最上缘切线与水平面间夹角。的选择主要考虑使土屑沿推土铲上缘向前翻滚性能良好。值随推土铲上部曲面的曲率半径的变化而改变。过大，会使土壤里开上缘时不能向前翻滚；过小，必然要减小推土铲上部的曲率半径，这就增加了土壤沿推土铲向上滑动的阻力，也增加了土壤对推土铲的法向压力，从而增加了土壤黏结在推土铲上的可能性。考虑到推土机上坡（增大）和下坡（减小）的影响，一般取～。取。(4)推土铲斜装角ε是指整个推土铲与地面倾斜安装角度。一般取ε=75°。ε过小，一方面土屑易从推土铲上缘往后翻落；另外，由于推土板上积土太多而引起铲刀提升阻力增加。ε过大，切削角随之增大，使土屑上升变形加大，增加切削阻力。取ε=75°。(5)挡土板安装角是指推土铲上部挡土板与地面的夹角。一般取～。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。取=93°。(6)挡土板回转角φ是指在水平面内，推土铲与推土机纵向轴线的夹角。对于回转式铲刀，侧向排土时，φ的变动范围为~。取φ=90°。(7)推土铲倾斜角是在垂直面内推土铲与地平面的夹角。有了角，能使推土机在坡地上横向推出水平切面，以及在平地上推出横坡。另外对于较坚硬土，可用铲角作业。用螺杆调整的取，用油缸调整的取。取。推土铲曲率半径推土铲曲率半径R是决定推土铲形状的重要参数之一。它直接影响推土机作业性能。R过小，增加土屑沿推土铲上升的阻力，并且导致卸土不干净；R过大，土屑容易向推土铲后面翻落，减少推土铲前面积土量。因此确定R值要综合考虑上述因素，其中最主要的就是避免土屑向推土铲后面翻落，也就是要求<90°。通常取R=。取。推土铲直线部分及挡土板尺寸档土板垂直高度一般为（0.1～0.25）Bg。挡土板上边宽度大于发动机罩的宽度、不小于推土铲宽度的；挡土板下边的宽度，固定式推土铲取其为推土铲宽，回转式推土铲则取其为推土铲宽的。取垂直高度mm。推土工作装置运动分析侧倾机构运动分析铲刀侧倾机构如图2-4所示。侧倾油缸的伸缩使各构件和铲刀运动副产生位移，由于机体支承在地面上，不会倾斜，整个推土铲框架机构便随之产生侧倾，从而实现铲刀侧倾运动。计算侧倾量时假设:①左顶推梁相对铲刀运动是微小的,可看作相对铲刀近似固定不动。②在侧倾油缸作用下,右顶推梁仅绕着横销轴O1O2轴线转动,忽略其横向摆动[17]。1-铲刀2-托架3、4-左、右支臂5、6-左、右顶推梁7-机体8-螺杆9-侧倾油缸活塞杆10-油缸体图2-4铲刀侧倾机构简图图2-5是右顶推梁部分计算简图,图中DA线表示侧倾油缸行程,O为顶推梁与铲刀连接横销轴的轴心，是侧倾油缸上端点与横销轴轴心的距离，是侧倾油缸下端点与横销轴轴心的距离，是和的夹角，是顶推梁长度,β是顶推梁与地面最初夹角,L是侧倾油缸行程。对左顶推梁部分,DA是螺杆,设其长度为,相应于的角度设为,则(2-3)以O点为坐标原点时,左顶推梁铰点的坐标为(2-4)右顶推梁铰点的坐标为（2-5）左倾时,右倾时,则左、右顶推梁后铰点之间的标差为（2-6）计算时假定左顶推梁和铲刀不动,机体倾斜,实际上机体是不动的,因而只能是铲刀运动。要将倾斜的机体线转平至,通过空间转动变换矩阵二次转动来实现,如图2-6所示,点为原点,Y轴通过和点,Z轴垂直地面,X轴平行地面。先绕X轴转θ角,再绕Z轴转α角,转动矩阵为（2-7）图2-5右顶推梁部分计算简图式中：设b为铲刀两尖角点横向的宽度，当铲刀平放时，左右两尖角点坐标差为：，，。当侧倾时,铲刀经转动矩阵变换后,左右两尖角点的坐标差为：，，，是铲刀侧倾量。图2-6机体转动参考坐标系升降机构运动分析铲刀升降机构如图2-7所示。1-活塞杆2-油刚体3-顶推梁4-机体图2-7铲刀升降机构分析简图铲刀通过升降油缸活塞杆的伸缩,使顶推梁绕机体上过C点的轴转动,实现升降动作。分析和计算升降机构运动时假设:①油缸活塞作等速运动。②不计铰接点的摩擦。③不考虑液压油的可压缩性。油缸活塞杆上A点的运动系点的合成运动,其绝对运动为围绕C点的转动,它可分解为沿油缸中心轴线方向作移动的相对运动,以及绕B点转动的牵连运动。(1)顶推梁与油缸转动角度分析采用复数向量法分析,设AC=a,BC=d,AB=S,如图3.7,建立机构封闭向量方程式为（2-8）（2-9）油缸长度S可变,E点固接,固定,所以a、d已知且固定,化简得（2-10）(2)顶推梁与油缸转动速度分析将式(3.8)对时间求导，可得（2-11）上式两端同乘以展开,由实部和虚部求出顶推梁角速度和油缸转动牵连角速度（2-12）式中：—油缸活塞杆相对速度由于把铲刀看作和顶推梁固接,其运动可以看作是刚体绕轴心C的转动问题。因此,铲刀尖速度和铲刀尖铅垂速度为（2-13）(3)顶推梁与油缸转动加速度分析将式（2-11）对时间求导,整理后得（2-14）上式两边同乘以展开,假设油缸活塞杆匀速运动,即,则由其虚部和实部求得顶推梁角加速度和油缸转动角加速度为（2-15）（2-16）铲刀尖加速度和铅垂加速度为（2-17）松土器的设计松土器是履带式推土机的一种主要附属工作装置，通常配备在大、中型履带式推土机上，松土装置悬挂在推土机车架的尾部，它与推土铲配套，可与推土机、铲运机进行配套作业，预松或凿裂坚实的土壤和岩石，提高铲运效率，完善了推土机的作业能力。在铁路、公路等大型土石方施工中，利用松土器进行裂土作业，不仅具有更高的松土效率，而且费用较低。目前它已经被广泛应用于工程施工和矿山开采，大大提高施工的安全性和作业效率，降低了生产成本。松土器结构的确定松土器的分类松土器可分为铰链式、平行四边形式、可调整平行四边形式和径向可调式四种基本形式。松土器的结构如图2-8所示松土器主要由支撑架、上拉杆、下拉杆、横梁、提升油缸及松土齿等组成，整个松土装置悬挂在推土机后桥箱体的支撑架上。1-支撑架2-提升油缸3-上拉杆4-横梁5-齿杆6-下拉杆图2-8松土器松土器参数选择确定有效牵引力推土机所具有的额定牵引力用来克服松土器的作业阻力。松土器工作时，作业对象对松土齿的垂直反力有时向上（入土时），有时向下（正常耙裂时），对推土机的附着重量有减少或增加的影响，因此额定牵引力为：(2-18）式中：为额定滑转率下的附着系数。查阅资料[11]：则：耙裂深度h耙裂深度由松土齿数目和推土机的额定牵引力确定。最小耙裂深度应比共同作业的推土机或铲运机的切削深度大20%～30%，各类松土器的耙裂深度推荐如下。（1）中型推土机最大耙裂深度为600～800mm，合理耙裂深度为700mm。（2）大型推土机最大耙裂深度为900～1100mm，合理耙裂深度为1000mm。（3）特大型推土机的合理耙裂深度为1500mm。取耙裂深度为700mm。耙裂作业速度松土齿运动速度即为推土机的作业速度。松土齿提升速度通常为0.3～0.5m/s，下降速度为0.4～1.0m/s。取提升速度为0.4m/s，下降速度为0.7m/s。松土齿结构参数的选择松土装置是推土机重要的工作装置，其设计参数的优劣将直接影响其松土作业能力。(1)切削角δ松土齿的切削角δ指齿尖镶块前面与地面之间的夹角，它对切削阻力有重要的影响，合理的切削角对减少切削阻力是至关重要的。松土齿的切削角通常为30°～45°，当耙裂硬而碎的大块土石时，切削角可以适当增大。取δ=37°。(2)后角α是齿尖镶块后面与地面之间的夹角，必须保证在任何松土深度时，α≥5°～7°（一般硬土，碎石土）或α≥8°～10°（冻土）取α=5.5°。(3)镶块宽度b试验证明，齿尖镶块的宽度b与松土深度成下列关系：（2-19）取mm。式中：h—松土齿的松土深度。齿杆厚度为：（0.7～0.9）b（2-20）取mm。(4)松土齿的工作长度是指从松土齿架的下边缘到齿尖的距离，可以表示为：(100～300)mm（2-21）其中，l并不是齿杆的总长度，齿杆的总长度要根据它与松土齿架的安装尺寸，由装配图来确定，公式中100～300mm的距离是为了保证松土齿架的横梁能够越过被翻器的土块。取mm。松土齿切削阻力在切削过程中，松土齿所遇到的阻力分为水平切削阻力和垂直切削阻力，如图2-9为尖锐刃口的切削阻力。图2-9尖锐刃口的切削阻力松土齿材料的选用松土器齿尖切入岩石层，将受到严重磨损。尤其是在坚硬岩石中作业，齿尖镶块寿命很短，有的仅2～3h就需要更换。并且作业过程中温度可高达～，齿芯部温度亦可高达～。由于回火软化，使齿尖磨损加快。齿尖镶块的材料，除要求强度高、韧性好（HRC＞50，kN/cm3）之外，还要求有高的抗回火软化性能和二次硬化的能力。目前，松土齿多采用具有抗回火软化性能的Ni-Cr-Mo钢和高Si钢进行淬火硬化处理。以前几乎所有的松土器都采用铸钢件，随着机器的大型化和牵引力的增加，逐渐为高韧性锻钢所代替。工作装置液压系统的设计宣工TY165液力推土机采用双泵双马达液压传动系统，结构紧凑、操纵灵活、安全可靠，能适应外负荷的剧烈变化，整机的综合性能大大提高，能满足各种工况下的使用要求。液压泵采用力士乐A4VG/125变量柱塞泵，补油泵排量mL/r，补油压力2.5MPa，液压马达选用A6VM107变量柱塞泵马达。2.4.1作业工况下推土机驱动功率及转矩计算由于推土机作业过程中，在切土阶段所受的阻力最大，保持一定作业速度的情况下，消耗功率和转矩也最大。所以推土机所需驱动功率及转矩由推土机在切土阶段时的切线牵引力来确定[19]。2.4.1.1推土机切线牵引力的确定(1)推土机的滚动阻力推土机的滚动阻力计算公式如下：kN（2-22）式中：f—滚动阻力系数，f=0.1；m—推土机的工作质量,kg；α—运动表面对水平面的倾角，α=4°(2)坡道阻力推土机坡道阻力计算公式如下：kN（2-23）(3)工作阻力推土机的工作阻力计算公式如下：（2-24）式中：—单位面积的切削阻力，取0.06MPa；—切削土层沿推土机纵轴垂直方向的投影面积；h—切削深度，取0.54m；—推土板宽，取2.7m；φ—推土板回转角，取90°；—推土板前土堆运移的阻力；—铲刀切削刃与地面摩擦阻力；—土沿着推土板面的上升阻力；—土屑沿推土板面侧移阻力。一般来说，切削阻力中切土阻力最大，除了切土阻力外的切削阻力计算，可用经验公式计算：kN（2-25）式中：—推土板前面的土堆质量。（2-26）式中：V—推土板前土堆的容积，取5.6m3。Ke—土的松散系数，取1.3；ρ—土的密度，取2000kg/m3。(4)切线牵引力切线牵引力等于各阻力之和，表示为kN（2-27）而经过计算，推土机在满铲运输工况下的切线牵引力大约为82.2kN。2.4.1.2马达的输出转矩（2-28）N·m（2-29）式中：—驱动轮的输出转矩，N·m；—马达的输出转矩，N·m；—驱动轮的动力半径，取0.43m；—机械部分总传动比，取110.286；—行走机构的效率，取0.87；—传动系的效率，三级齿轮传动可取为0.94；n—马达的数量，取2。2.4.1.3液压马达的选择液压马达的基本参数主要是排量和转速，所选择的液压马达必须满足机械的动力及行驶速度的要求。（1）液压马达的排量mL/r（2-30）式中：—马达的机械效率，取0.95；—系统压差，取32.5MPa；（2）液压马达的转速液压马达的转速应按照推土机作业时的最大速度来确定：r/min（2-31）式中：υ—推土机在作业工况时的最大速度，取3km/h；δ—滑转率，取10%；根据以上计算出排量和马达在大排量时的最高转速以及系统的工作压力，可选择标准系列的马达。2.4.1.4行走液压泵的选择在选择了液压马达后，液压泵的选择应满足液压马达对流量和压力的要求。液压泵的流量应满足马达在作业时的最大速度的要求，由下式确定：L/min（2-32）式中：—马达的容积效率，取0.95；行走液压泵的排量可按下式确定：mL/r（2-33）式中：—泵的转速，可由发动机的转速确定为2200r/min；—泵的容积效率，取0.95。2.4.1.5由外负载决定的系统的压力差（2-34）2.4.1.6驱动功率的计算（2-35）式中：—推土机切削土时的工作速度，取1.5km/h。2.4.1.7牵引功率的计算kW（2-36）式中：η—行走系统总效率，等于从发动机到驱动轮之间各种传动元件的效率之乘积，根据计算取0.7。2.4.2液压驱动装置输入功率及转矩的计算考虑到工作装置液压泵和一些辅助装置的功率消耗，行驶驱动液压泵在切削工况下的输入总功率为：kW（2-37）式中：—发动机的额定功率，为179kW；—辅助装置空载消耗的发动机功率，kW；—工作液压泵消耗的功率，由于推土机在切削时一般不要求工作液压泵动作，所以实际消耗功率按正常工作的30%来取，取为21.33kW；—补油泵消耗的功率，4.34kW。所以行驶驱动液压泵的输入转矩：（2-38）泵在推土机切削土的时候所需的功率和转矩分别为：kW（2-39）式中：—泵在推土机切削土的时候的流量，经计算得L/min；—泵的总效率，取0.9。N·m（2-40）由以上的计算可见，泵的吸收功率介于输入功率和牵引功率之间，即＞＞P；输入转矩也满足系统工作时的要求。按照以上同样的计算方法，计算推土机在满铲运输工况下的牵引功率为：液压泵在满铲运输工况下，需要考虑工作铲提升所消耗的功率，此时输入的总功率和转矩为：此时泵所需的功率和转矩分别为：由此可见，在满铲运输工况下的功率和转矩均能保证推土机正常工作。由以上计算分析可见，所选泵和马达组成的闭式系统能满足推土机工作时的功率和转矩要求。2.4.3行走速度的计算马达的最