推土机超级铲设计分析

2015-07-29侯文军杨和平鲍奎宇JINDanHOUWenjunYANGHepingBAOKuiyu山推工程机械股份有限公司山东济宁272073

建筑机械化 2015年3期

金丹，侯文军，杨和平，鲍奎宇JIN Dan, HOU Wen-jun, YANG He-ping, BAO Kui-yu（山推工程机械股份有限公司，山东济宁 272073）

Design & Research 设计研究

推土机超级铲设计分析

金丹，侯文军，杨和平，鲍奎宇
JIN Dan, HOU Wen-jun, YANG He-ping, BAO Kui-yu
（山推工程机械股份有限公司，山东济宁 272073）

[摘要]简要介绍了推土机铲刀的形式及特点，基于挖掘理论对推土铲主要参数的确定方法进行了探索研究。在此基础上提出大功率推土机用超级铲设计理念，并以国内某一大功率推土机为例，对其使用的超级铲设计原理和性能影响因子进行详细分析，设计出一款超级铲的参数并进行了试验验证，为以后大功率推土机超级铲设计开发提供了理论依据。

[关键词]推土机；超级铲；设计；结构参数

推土机是工程机械中用途较广的铲土运输机械，广泛应用在电力、建筑、交通和国防等工程施工中。推土铲是推土机的重要组成部分，推土铲设计好坏将直接影响整机的作业效率，因此在推土机的设计中，推土铲的设计尤其重要，铲刀优劣直接决定了整车在大型土石方工程中的作业性能和效率，对整车评价起到至关重要的作用。

1 推土铲结构对作业性能影响分析

1.1 推土铲刀结构

推土机的铲刀主要有直倾铲、角铲和U型铲等。直倾铲横向结构外形为直线形，该铲形切削力大，但推土板两侧溢漏现象严重，推土运土作业效率较低，不适合大功率推土机的大负荷作业工况；角铲比直倾铲推土板宽，但高度减少较多，铲刀容量有所减少，可用于平整场地；U型铲具有强大的集土、运土能力，生产效率高，但是切削性能有所下降。而大功率推土机的体积庞大，动力强劲，要求既要有较大的切削力，也要有较大的集土运输能力才能充分发挥其大功率优势，提高其作业效率。因此需要根据其工况及作业特点，开发一种全新的超级铲结构，来更好的平衡大功率推土机铲刀切削力和生产效率的关系。

1.2 推土铲刀安装方式

推土铲根据铲刀的安装方式可以分为回转式和固定式，回转式是指铲刀可在水平面转动一定的角度，转动角度一般在0°～25°，并且在垂直面内也可实现一定的倾斜，这种方式铲刀相对较灵活，可对土壤进行相对精细的平整和短距离集土作业，作业效率较低，主要适用于中小功率推土机；而固定式是指铲刀与推土机纵向轴向固定为直角，这种结构主要能实现铲刀的升降及在垂直面内的倾斜，负荷能力较强，作业效率较高，主要适用于中大功率推土机。

在现代工程建设中，大功率推土机的作业方式较少，应用范围较窄，主要要求大功率推土机超级铲不仅有强大的铲掘能力和推运能力，而且也要求超级铲刀能在垂直面内倾斜，以便利用铲尖进行高强度土壤和岩石剥离作业和适应在斜坡上的作业工况。

2 推土铲主要参数设计分析

2.1 铲刀容量

推土机铲刀容量V是推土机整体性能的一个重要技术指标，其容量V直接影响推土机的生产效率，所以确定其铲刀容量时，必须考虑推土机在实际中发挥的最大驱动力，因此，推土铲的容量V和反映履带推土机最大附着力的推土机使用重量G有个合理的比例关系，根据对中大功率推土机统计分析，推土机使用重量与超级铲刀的容量的比值一般为35～40kN/m3。

2.2 铲刀重量

推土铲安装在推土机的前部，其质量对推土机的行走稳定性及作业性能有一定的影响。推土铲过重易导致推土机在不平路面行走过程中翘尾失稳；过轻则使整机重心靠后，推土机铲刀入土时的压入力减小，推土铲入土能力下降。对于大功率推土机而言，其整车重量更大，重心位置和铲刀重量的设计更要根据其作业工况充分认真分析。

根据大功率推土机推土铲的设计经验，其超级铲的重量（包括液压缸）取整机重量（不包括松土器）的10%～15%较为合适。

2.3 铲刀运动参数

固定式铲刀的运动由升降运动和倾斜运动组成。运动参数主要包括最大下降深度、最大提升高度和倾斜高度。

最大下降深度是提升油缸伸长到最大状态，使铲刀切入土壤时，铲刀与地面间的距离。铲刀位于最大下降深度时，其切削刃和推土机压力中心之间的连线与地面夹角一般大于20°。若切削深度过大，由于切削阻力加大，引起牵引力不足；若切削深度过小，发动机功率得不到充分发挥，会降低生产率。

最大提升高度决定了推土机的驶入角，其与推土机最大爬坡能力相关，推土机的最大爬坡角度一般为30°，铲刀位于最大提升高度状态时，推土机必须能通过最大爬坡角度的斜坡。

倾斜高度是铲刀倾斜运动时铲刀两刀角最外端在竖直方向的距离，由倾斜油缸的行程决定，倾斜油缸的行程可通过铲刀倾斜角的调整范围确定。

2.4 铲刀结构参数

2.4.1 铲刀的高度Hg

铲刀的高度由以下经验公式确定

式中 Hg——铲刀高度；

PK——推土机有效牵引力，以10kN为单位；

GS——推土机的使用重量。

2.4.2 铲刀的宽度Bg

推土机铲刀必须有自身开辟道路的能力，因此铲刀宽度Bg必须大于两侧履带每边25～35mm。另外，由于铲刀宽度越大，入土时切削阻力就越大，根据不同的工况，可选用不同宽度的推土铲，土质越硬，宽度选择相对较小的。对于超大马力推土机，铲刀高度确定后，结合铲刀的总容量，为了使推土机在挖掘，运土和平整三种工况作业时达到最优的平衡点,可根据下列公式确定铲刀的宽度Bg的值

Bg=(2.5～3.0)Hg（2）

2.4.3 铲刀的角度参数

参见图1,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越大，铲刀切削阻力就越大，但入土阻力小。结合后角α的取值，在实际设计时，一般取δ=（50°～60°）±10°。

图1 铲刀角度参数

后角α，刀片后段斜面与地平面的夹角。α最好不能小于30°，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。

前翻角βK，铲刀最上缘切线与水平面间夹角。βK的选择主要考虑使土屑沿推土铲上缘向前翻滚性能。βK过大，会使土壤离开上缘时不能向前翻滚；βK过小，推土铲上部的曲率半径过小，土壤沿推土铲向上滑动的阻力就大。一般取βK＝65°～70°。

铲刀斜装角ε，指整个推土铲与地面倾斜安装角度。ε过小，土屑易从推土铲上缘往后翻落，铲刀也不易卸土；ε过大，切削角δ随之增大。一般取ε=75°。

2.4.4 铲刀曲率半径R

铲刀曲率半径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，减少推土铲前堆土量。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，对于大功率推土机铲刀，通常取

R=(0.6～0.7)Hg（3)

2.5 耳轴位置

推杆通过耳轴铰接在台车架上，其铰点位置影响铲刀升降机构的运动，它与铲刀升降高度、推杆长度等参数有关，大功率推土机超级铲的推杆一般铰接在台车架的偏后位置，甚至很靠近枢轴，其优点是在铲刀升降时，特别是铲掘深度有变化时，可使推土铲的切削角变化较小,结合国内外推土机设计经验，一般耳轴离驱动轮轴线的长度为主机全长的1/3左右。

2.6 铲刀材质

铲刀的推杆框架等焊接结构件一般选Q235、Q345等普通碳钢材料，这些材料在保证整体强度的同时具有良好的焊接性，易于购买。铲刀的弧形板选用耐磨性好的NM360、NM400等高强钢板，同时为增加耐磨量，通常会设计两层弧形板，通过焊接使两层弧形板紧贴在一起。刀角、刀片一般选取耐磨性好的31Si2CrMoB，其屈服强度能达到1 620MPa，是目前应用广泛、比较理想的齿尖铸锻材料。

3 超级铲的主要结构型式及参数

超级铲刀是指兼顾直倾铲和U型铲作业特点的新型结构铲刀，具有较高的比推力及强大的集土、运土能力，其生产效率高，主要在大功率（一般指发动机功率在350kW以上）推土机上使用。

3.1 结构形式

推土机超级铲的结构组成如图2所示，且本文中的推土机超级铲刀安装采用固定式。

图2 超级铲

这种结构与传统结构相比不仅采用了双倾斜油缸，操作者可以直接操作工作手柄实现铲刀的切削角和倾斜角的变化，大大降低操作者的劳动强度；而且铲刀前挡板采用了独特的设计，如图3所示，中间弧形板较高，两侧侧板上缘设计栅栏结构。中间较高的弧形板增加了超级铲的容量和前翻效率；两侧栅栏可以挡住大块物料的后翻，驾驶员可以透过两侧栅栏看到更大的视野空间，降低驾驶员的视野盲区，提高操作安全性，从而提高整机作业效率。

图3 超级铲刀前视图

3.2 超级铲刀的主要结构参数确定

大功率推土机作业强度高，为保证足够强度和刚度，超级铲刀采用闭式推土板结构。根据大功率推土机推土铲的设计经验和针对性工况分析，我们确定某一大功率推土机铲刀的主要参数如表1。

表1 某型推土机超级铲刀的主要参数

4 超级铲与传统铲作业性能对比

4.1 超级铲优势

本文根据大功率推土机的特殊工况对超级铲进行了优化设计，其超级铲刀具有特殊的形状和结构，使其作业时与传统的铲刀相比有较大优势：①超级铲刀刀片受力均匀，并且从左右两侧溢流出的作业物料大大减少；②采用双倾斜油缸，操作者可根据作业时铲土、卸载、运载等不同的作业方式调整铲刀的倾斜角（见图4），可在短时间内以较少的燃油消耗获得较大的挖掘量和集土量，与同功率配置传统半U铲刀的推土机相比其工作效率提高15%～20%（见图5）。

图4 超级铲刀与传统铲刀作业方式对比

图5 超级铲刀容量与传统铲刀容量对比

4.2 超级铲生产率

超级铲作业生产率计算（按运距为40m计算）

式中，q是每铲推土量，取28.8m3；kB是推土机作业时间利用系数，取kB=0.85；ky是坡度作业影响系数，取ky=1.0；T是一个推土周期循环时间（s）。

假设推土机以前进一挡切土、运土作业，后退三档返回作业，则式中，l1是切土距离，取6m；l2是运土距离，取34m；v1是切土行驶速度，取0.97m/s；v2是运土行驶速度，取0.97m/s；v4是返回速度，取3.97m/s；t5是推土机调头时间，取t5＝0；t6是换挡时间，取t6＝3s；t7是铲刀下落时间，取t7＝2s。

通过本超级铲刀样机的装机试制，及对比试验验证（见表2），此款铲刀的生产率比传统铲刀提高15%～20%左右。

表2 超级铲刀和传统半U铲刀生产率对比

5 结论

推土机铲刀作业时受力是复杂多变的，并无规律可循，故推土机铲刀的设计参数往往是通过经验公式并结合实验得到的，而本文中则是基于以上原则对推土机超级铲设计方法进行的研究。本文中提出的超级铲是综合考虑了传统直倾铲和U型铲等铲刀的优缺点开发出的全新结构的推土铲。本超级铲的设计参数会随推土机功率的变化及作业物料的变化而有所改变，最终产品则需要通过不断的建模，实验，试制，验证。本文中采用的设计理念提供了此项新结构铲刀参数的确定