松土器有限元分析及结构改进

郑彦波，张福生，张高峰，张 涛

（太原科技大学 机械工程学院，山西 太原 030024）

1 概述

一般来说松土器都作为辅助工作装置，以提高推土机的利用效率，但是在一些土石方工作现场，松土器用来疏松坚硬的土壤或者破碎需要返修的路面，这时松土器就作为主工作装置被使用。这类松土器代替传统的打眼放炮施工，可以提高施工的安全性和作业效率，并降低生产成本，因此松土器越来越大型化、专业化，使用也越来越普遍。

本文基于SolidWorks软件建立松土器三维实体简化模型，在Simulation插件中进行有限元分析，根据分析结果提出改进意见，并对改进后的结构进行分析验证。

2 有限元模型的建立

松土器主要由托架、连接架、横梁、松土齿、角度油缸及升降油缸组成，它们之间用销钉进行连接，如图1所示。其中松土齿包括齿杆、护板和齿间镶块。松土深度采用升降油缸进行调节，角度油缸可以调整松土角度，使松土阻力减小。

整个推土机松土机构由若干零件组成，若对整个机构进行分析，运算量非常大。因此，在不影响仿真结果的前提下，对模型进行如下简化：①将横梁、连接架和左、右托架做成一体以代替实际焊接件；②去除实际松土器中无需分析的零件和不重要的特征，如销钉、小的倒角和圆角等；③将液压缸做刚性处理，在分析中保证液压缸工作长度不变，但是受力后可以绕各自销钉小转角转动；④推土机主机不是本文分析重点，松土器安装在推土机的后桥壳体上，故推土机只保留后桥壳体且与左、右托架简化为一体零件。

图1 松土器结构

依照实际尺寸和简化原则利用SolidWorks建立实体模型；按照安装要求进行实体装配。

3 载荷分析及确定

推土机松土器有3种典型工况：第一种工况为松土器匀速前进；第二种工况为松土器强制入土；第三种工况为松土器强制出土。

3.1 松土器匀速前进工况

推土机在水平面上匀速向前行驶，也即松土器匀速向前松土，同时将松土器固定在最大松土深度进行松土。此时，松土器的受力为推土机的使用重量Gs、额定牵引力Pkp以及土对松土齿的切削反力PN，如图2所示。

假设PN作用在齿尖部位，且与水平面呈α角；同时假设齿杆受力对称，因此不受横向力。可以将PN分解成为水平分力PX和竖直分力PZ，则：

其中：Pkp为松土齿上的松土力，其相当于推土铲的顶推力，即推土机的额定牵引力；KT为由于土质变化以及操作的不稳定而使额定牵引力不能发挥的利用系数，一般为0.8。

其中：α为切削反力PN与水平面的夹角，一般来说碎石层α＝±30°。

图2 匀速前进工况受力简图

将履带完全打滑时相应的牵引力Pφ称为附着力，并由试验可知，该附着力由附着条件决定，并且它与附着重量之间存在着近似的正比例关系。因此用两者的比例系数φ来表示履带与路面间的附着性能。由于在水平面上工作，附着重量也就是推土机的使用重量Gs，则：

在实际工作中，由于附着条件的限制，切线牵引力PK无法充分发挥，故考虑使用附着条件决定的最大牵引力（也即附着力）Pφ作为推土机的有效牵引力Pkp，即Pkp＝Pφ。

由此可求得PX和PZ。

3.2 松土器强制入土工况

推土机原地不动，松土齿强制入土碰到障碍物之后，在油缸推力作用下推土机绕履带接地最前端向前倾翻，如图3所示。

图3 强制入土工况受力简图

这是一种极限的工作状况，即推土机静止，松土器强制入土，此时推土机以履带接地点前端为支撑，有前倾的趋势，此时松土器齿尖受力有竖直方向的力PZ，当推土机刚好前倾时PZ最大，由稳定性分析可得：

其中：L为推土机履带接地长度；L1为推土机重心距履带后接地点长度；L2为齿杆作用力与履带后接地点的水平距离。参照国外推荐大中型履带车辆的重心位置值，L1＝（0.55～0.65）L。

3.3 松土器强制出土工况

推土机原地不动，调整油缸长度使松土器为平行四连杆机构。松土齿从最大深度开始提升，当遇到障碍物后，在油缸作用下推土机绕履带接地最后端向后倾翻，此时松土齿受到竖直向下的力PZ，如图4所示。

图4 强制出土工况受力简图

根据推土机的平稳性分析可得：

4 结果分析

4.1 匀速前进工况

图5为匀速前进工况下装配体应力分布云图，可知最大应力约为435MPa，具体位置在齿尖附近。

图5 匀速前进工况应力云图

齿杆的材料为30CrMo，当采用1.5的安全系数时其许用应力为523.3MPa，而整个装配体中应力最大发生在齿杆尖端区域，最大应力为435MPa，故小于许用应力。因此，齿杆没有超出许用应力的区域。

除齿杆以外的零件材料为Q345，许用应力为230MPa。分析可知，横梁下端的齿套左、右侧板的中间区域应力超出许用应力。

4.2 强制入土工况

图6为强制入土工况应力云图，可知最大应力值为198MPa，出现在齿套与齿杆的销钉约束处，小于Q345的许用应力，也小于30CrMo的许用应力，因此可知此种工况下的装配体应力都小于各自材料的许用应力。

图6 强制入土工况应力云图

4.3 强制出土工况

图7为强制出土时松土器装配体有限元分析结果，可知最大应力为401MPa，出现在左、右托架与推土机后桥壳体的连接处。

图7 强制出土工况应力云图

分析可知在横梁上与角度液压缸相配合的销钉孔处有应力集中，横梁的套筒与横梁的立架内板焊接处也有应力过大现象。

5 机构的改进

由匀速前进工况下分析结果可知，齿套下部应力较大，需要对齿套进行结构改进。改进方案为：减小齿套下端面的倾斜度；针对强制出土分析结果将横梁左、右架内板和外板加厚，如图8所示。

图8 齿套结构修改及横梁左、右立架内板和外板加厚图

对改进后的装配体重新进行有限元分析。

对匀速前进工况分析可知，最大应力依旧出现在齿尖处，大小同改进前相等，但是横梁上不再出现超出许用应力的区域。强制出土工况下最大应力依旧出现在左、右托架处，属于应力奇异，但是横梁上无应力过大区域产生。

由上可知，改进后整个装配体的应力都满足要求。因此松土器的局部改进是合理的。

6 结论

（1）对原有结构的3种典型工况进行有限元分析，结果显示，横梁出现多处超出许用应力的区域，而连接架、托架和齿杆较为安全，故对横梁进行结构改进。

（2）将横梁左、右立架的内、外板分别加厚，并减小齿套下端面的倾斜度。对上述改进后的结构再次进行有限元分析，结果显示改进后的装配体满足应力要求。

（3）本文对装配体进行整体有限元分析，利用虚拟销钉、面接触等设置条件模拟实际装配状况，求解装配体的整体应力云图，对装配体的有限元分析具有一定的指导意义。

［1］孙宝玉，张福生，吴兵.新型装载机工作装置受力及有限元分析［J］.太原科技大学学报，2011（3）：220－223.

［2］徐信芯，成建联，焦生杰，等.旋挖钻机大三角变幅总成有限元分析［J］.中国工程机械学报，2012（1）：72－76.

［3］朱峰.装载机结构件有限元分析与结构改进［D］.长春：吉林大学，2009：23－46.

［4］肖艺.推土机后工作装置动力学及有限元分析［D］.长春：吉林大学，2009：43－55.