推土机松土器结构改进与动力学分析

李晓旺，鞠长清，李华强

(1.内蒙古仲泰能源有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000；2.内蒙古工业大学，内蒙古 呼和浩特 010051)

0 引言

松土器是推土机工作装置的一种，它悬挂在推土机的后桥壳体上，作为辅助工作装置主要用于松土作业，不仅用于煤矿、盐矿、砾石、坚硬岩石作业面的剥离，也可用于硬化冻土、黏土等土层的松软。随着现代煤矿等土方工程的机械化和推土机的大型化，推土机松土器的使用也越来越普遍，甚至可部分代替钻孔爆破施工。本文对推土机松土器结构进行了改进和动力学分析。

1 原松土器结构分析

D11T推土机松土器结构如图1所示，主要由支撑架、横梁、松土齿、两个倾斜缸和提升缸组成，连接方式为销连接。该装置通过倾斜缸来改变松土角达到适合的工作位置，由提升缸来调节松土深度。

1-横梁；2-松土齿；3-销子；4-提升缸；5-支撑架；6-后桥壳体；7-倾斜缸

原装置普遍存在以下问题：

(1)松土齿调整安装不方便。原松土齿是通过辅助液压缸推动压杆连接销，与横梁和松土齿销孔定位安装。安装时，由于构件自重较大，安装调整不方便。

(2)松土齿伸缩不能任意调节。原松土齿伸缩只能根据松土齿上孔距进行调节，而在该装置工作过程中，当对高处煤层或岩石进行破碎和挖掘时，需缩短松土齿；对地面以下煤层或岩石进行作业时，要求松土齿伸长；有时需在松土过程中不断调节挖掘深度，要求装置能实时调节齿的伸缩量。总之，原松土齿伸缩在很大程度上给工作和操作人员带来不便，需对该装置进行合理改进，扩大其有效工作范围和使用灵活性，满足实际生产需求。

2 改进装置分析

2.1 改进后结构

通过分析实际需求，将原装置松土齿销孔连接改成调整缸的升降方式，如图2所示。将调整缸活塞杆端与松土齿顶部销孔连接，通过横梁上底座固定调整缸，由调整缸实现对松土齿的自由伸缩。松土齿在工作时容易晃动，调整缸选择耳轴式液压缸，避免损坏调整缸。

通过改进连接结构，在调整缸的带动下，松土齿可以在横梁中自由伸缩，实现松土齿伸缩实时调整，解决了原装置存在的问题。

2.2 松土器运动学分析

根据原松土器提升缸、倾斜缸结构尺寸和松土齿调整尺寸，理论分析松土器最大挖掘深度和松土轨迹包络线，提升缸的伸缩量为610 mm，倾斜缸的伸缩量为830 mm，调整缸的伸缩量为860 mm。

利用ADAMS软件在改进的松土器模型所有转动关节处添加转动副，在提升缸、倾斜缸和调整缸的缸筒与活塞杆之间添加移动副。

1-横梁；2-松土齿；3-支撑架；4-后桥壳体；5-倾斜缸；6-支座；7-耳子；8-调整缸；9-提升缸

对提升缸、倾斜缸和调整缸编辑器添加相应位移控制参数。提升缸位移参数为：step(time,0,0,8,610)-step(time,12,0,16,350)。倾斜缸位移参数为：step(time,8,0,12,-830)+step(time,16,0,20,830)。调整缸位移参数为：step(time,0,0,3,860)。

图3为松土齿齿尖轨迹包络线，运动的整个过程为：从最高提升位置开始下降，提升缸和调整缸同时输出，当调整缸伸出达到最大860 mm之后，松土齿齿尖到达A点，开始松土；当提升缸行程达到610 mm，齿尖到达B点，完成入土深度；此后倾斜缸完全输出至830 mm，齿尖到达C点，完成刨土；最后提升缸返程运行350 mm，齿尖到达D点，松土器完成一个周期松土任务。当倾斜缸完全收回，齿尖又回到A点，整个过程最大松土深度达到了870 mm，横向宽度最大达到655 mm。因该松土器是在推土机上安装工作的，横向宽度只是推土机静止时的松土器理论值，最大松土深度才是松土器的重要性能指标。

2.3 松土器动力学分析

利用ADAMS软件对松土器挖掘力进行分析，推土机液压溢流压力为32 MPa，在分析过程中倾斜缸始终不作用，根据松土器提升缸活塞尺寸，计算系统最大压力下松土齿对物体的作用力，也就是齿尖接触物体时的最大破碎力，这是松土器设计的一个重要指标。

根据调整缸伸出长度不同，得出的松土齿对地面的作用力分别如图4～图12所示。

图7 调整缸伸出350 mm时松土器的地面接触力 图8 调整缸伸出450 mm时松土器的地面接触力 图9 调整缸伸出550 mm时松土器的地面接触力

图10 调整缸伸出650 mm时松土器的地面接触力 图11 调整缸伸出750 mm时松土器的地面接触力 图12 调整缸伸出850 mm时松土器的地面接触力

从图4～图12中可以看出，松土齿与地面刚接触时有一个很大的碰撞力产生，之后松土齿和地面完全接触，接触作用力逐渐增加，从分析得到的数值上很明显地看到，松土齿对地面的作用力很大，实际作业对象尤其是在鹅卵石、含有冰的各种岩石和煤层、结块变硬的盐矿等坚硬的工作区域的铲除，均可以很轻松地将地表面土层或岩石层破坏，实现进一步对作业对象的深入挖掘。

将上述9次的松土齿伸出量与接触作用力统计于表1中。

从表1中数据可以看出，松土齿在不同的伸出量作用下，齿尖与地面的接触力不同，基本趋势为伸出量越大，松土齿对地面的作用力就越大。

表1 松土齿伸出量与接触作用力

3 松土齿伸出量与地面接触力关系分析

为进一步明确松土齿伸长量与接触作用力之间的关系，下面利用MATLAB软件进行分析。

在MATLAB软件中使用样条插值法，绘制出松土齿伸出量与地面接触力之间的拟合曲线,描述系统压力恒定的情况下，松土齿伸出长度不同时地面接触力的变化情况。编制程序如下：

lz=[96314 96369 96933 97761 99281 99317 99719 97311 96996];%接触力值

cd=[50 150 250 350 450 550 650 750 850];%伸出量

p1=polyfit(cd,lz,2);p2=polyfit(cd,lz,3);%拟合2次方和3次方

y1=polyval(p1,cd);y2=polyval(p2,cd);%拟合2次方和3次方函数系数

X1=50:850;

Y1=spline(cd,y1,X1)

Y2=spline(cd,y2,X1)

plot(cd,lz,X1,Y1,X1,Y2)%生成松土齿伸出量与地面接触力图像

依据上述程序生成如图13所示曲线，分析所得数据和曲线可知：松土齿伸出的长度不同，齿尖与地面的接触力不同，根据拟合的2次方接触力函数和3次方接触力函数可知，接触力都呈现最大值峰值，近似为抛物线形状。

图13 松土齿伸出量与地面接触力关系曲线

分析其结构:松土齿伸出长度不同，提升缸的作用力臂和地面接触力力臂也在变化。该松土器伸出量为650 mm左右时提升缸与支撑架在后桥壳体上的连接中心线与提升缸垂直，即作用力臂达到最大，此时松土器对地面的破碎力最大。

4 小结

(1)通过结构改进，在调整缸的带动下，松土齿可以在横梁中自由伸缩，实现松土齿伸缩实时调整，解决了原装置存在的问题。

(2)对改进模型在ADAMS软件中仿真得到齿尖运动的包络线，验证其松土深度和提升高度，得到其空间运动轨迹。

(3)基于ADAMS软件对其在强制入土工况下松土齿不同伸长量时对地面作用力进行了分析研究，结果表明，松土齿的伸长量与对地面作用力的关系近似为抛物线形状。