松土器有限元分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

鄭彥波，張福生，張高峰，張 濤

（太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

1 概述

一般來說松土器都作為輔助工作裝置，以提高推土機(jī)的利用效率，但是在一些土石方工作現(xiàn)場(chǎng)，松土器用來疏松堅(jiān)硬的土壤或者破碎需要返修的路面，這時(shí)松土器就作為主工作裝置被使用。這類松土器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的打眼放炮施工，可以提高施工的安全性和作業(yè)效率，并降低生產(chǎn)成本，因此松土器越來越大型化、專業(yè)化，使用也越來越普遍。

本文基于SolidWorks軟件建立松土器三維實(shí)體簡(jiǎn)化模型，在Simulation插件中進(jìn)行有限元分析，根據(jù)分析結(jié)果提出改進(jìn)意見，并對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析驗(yàn)證。

2 有限元模型的建立

松土器主要由托架、連接架、橫梁、松土齒、角度油缸及升降油缸組成，它們之間用銷釘進(jìn)行連接，如圖1所示。其中松土齒包括齒桿、護(hù)板和齒間鑲塊。松土深度采用升降油缸進(jìn)行調(diào)節(jié)，角度油缸可以調(diào)整松土角度，使松土阻力減小。

整個(gè)推土機(jī)松土機(jī)構(gòu)由若干零件組成，若對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，運(yùn)算量非常大。因此，在不影響仿真結(jié)果的前提下，對(duì)模型進(jìn)行如下簡(jiǎn)化：①將橫梁、連接架和左、右托架做成一體以代替實(shí)際焊接件；②去除實(shí)際松土器中無需分析的零件和不重要的特征，如銷釘、小的倒角和圓角等；③將液壓缸做剛性處理，在分析中保證液壓缸工作長(zhǎng)度不變，但是受力后可以繞各自銷釘小轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)動(dòng)；④推土機(jī)主機(jī)不是本文分析重點(diǎn)，松土器安裝在推土機(jī)的后橋殼體上，故推土機(jī)只保留后橋殼體且與左、右托架簡(jiǎn)化為一體零件。

圖1 松土器結(jié)構(gòu)

依照實(shí)際尺寸和簡(jiǎn)化原則利用SolidWorks建立實(shí)體模型；按照安裝要求進(jìn)行實(shí)體裝配。

3 載荷分析及確定

推土機(jī)松土器有3種典型工況：第一種工況為松土器勻速前進(jìn)；第二種工況為松土器強(qiáng)制入土；第三種工況為松土器強(qiáng)制出土。

3.1 松土器勻速前進(jìn)工況

推土機(jī)在水平面上勻速向前行駛，也即松土器勻速向前松土，同時(shí)將松土器固定在最大松土深度進(jìn)行松土。此時(shí)，松土器的受力為推土機(jī)的使用重量Gs、額定牽引力Pkp以及土對(duì)松土齒的切削反力PN，如圖2所示。

假設(shè)PN作用在齒尖部位，且與水平面呈α角；同時(shí)假設(shè)齒桿受力對(duì)稱，因此不受橫向力?？梢詫N分解成為水平分力PX和豎直分力PZ，則：

其中：Pkp為松土齒上的松土力，其相當(dāng)于推土鏟的頂推力，即推土機(jī)的額定牽引力；KT為由于土質(zhì)變化以及操作的不穩(wěn)定而使額定牽引力不能發(fā)揮的利用系數(shù)，一般為0.8。

其中：α為切削反力PN與水平面的夾角，一般來說碎石層α＝±30°。

圖2 勻速前進(jìn)工況受力簡(jiǎn)圖

將履帶完全打滑時(shí)相應(yīng)的牽引力Pφ稱為附著力，并由試驗(yàn)可知，該附著力由附著條件決定，并且它與附著重量之間存在著近似的正比例關(guān)系。因此用兩者的比例系數(shù)φ來表示履帶與路面間的附著性能。由于在水平面上工作，附著重量也就是推土機(jī)的使用重量Gs，則：

在實(shí)際工作中，由于附著條件的限制，切線牽引力PK無法充分發(fā)揮，故考慮使用附著條件決定的最大牽引力（也即附著力）Pφ作為推土機(jī)的有效牽引力Pkp，即Pkp＝Pφ。

由此可求得PX和PZ。

3.2 松土器強(qiáng)制入土工況

推土機(jī)原地不動(dòng)，松土齒強(qiáng)制入土碰到障礙物之后，在油缸推力作用下推土機(jī)繞履帶接地最前端向前傾翻，如圖3所示。

圖3 強(qiáng)制入土工況受力簡(jiǎn)圖

這是一種極限的工作狀況，即推土機(jī)靜止，松土器強(qiáng)制入土，此時(shí)推土機(jī)以履帶接地點(diǎn)前端為支撐，有前傾的趨勢(shì)，此時(shí)松土器齒尖受力有豎直方向的力PZ，當(dāng)推土機(jī)剛好前傾時(shí)PZ最大，由穩(wěn)定性分析可得：

其中：L為推土機(jī)履帶接地長(zhǎng)度；L1為推土機(jī)重心距履帶后接地點(diǎn)長(zhǎng)度；L2為齒桿作用力與履帶后接地點(diǎn)的水平距離。參照國(guó)外推薦大中型履帶車輛的重心位置值，L1＝（0.55～0.65）L。

3.3 松土器強(qiáng)制出土工況

推土機(jī)原地不動(dòng)，調(diào)整油缸長(zhǎng)度使松土器為平行四連桿機(jī)構(gòu)。松土齒從最大深度開始提升，當(dāng)遇到障礙物后，在油缸作用下推土機(jī)繞履帶接地最后端向后傾翻，此時(shí)松土齒受到豎直向下的力PZ，如圖4所示。

圖4 強(qiáng)制出土工況受力簡(jiǎn)圖

根據(jù)推土機(jī)的平穩(wěn)性分析可得：

4 結(jié)果分析

4.1 勻速前進(jìn)工況

圖5為勻速前進(jìn)工況下裝配體應(yīng)力分布云圖，可知最大應(yīng)力約為435MPa，具體位置在齒尖附近。

圖5 勻速前進(jìn)工況應(yīng)力云圖

齒桿的材料為30CrMo，當(dāng)采用1.5的安全系數(shù)時(shí)其許用應(yīng)力為523.3MPa，而整個(gè)裝配體中應(yīng)力最大發(fā)生在齒桿尖端區(qū)域，最大應(yīng)力為435MPa，故小于許用應(yīng)力。因此，齒桿沒有超出許用應(yīng)力的區(qū)域。

除齒桿以外的零件材料為Q345，許用應(yīng)力為230MPa。分析可知，橫梁下端的齒套左、右側(cè)板的中間區(qū)域應(yīng)力超出許用應(yīng)力。

4.2 強(qiáng)制入土工況

圖6為強(qiáng)制入土工況應(yīng)力云圖，可知最大應(yīng)力值為198MPa，出現(xiàn)在齒套與齒桿的銷釘約束處，小于Q345的許用應(yīng)力，也小于30CrMo的許用應(yīng)力，因此可知此種工況下的裝配體應(yīng)力都小于各自材料的許用應(yīng)力。

圖6 強(qiáng)制入土工況應(yīng)力云圖

4.3 強(qiáng)制出土工況

圖7為強(qiáng)制出土?xí)r松土器裝配體有限元分析結(jié)果，可知最大應(yīng)力為401MPa，出現(xiàn)在左、右托架與推土機(jī)后橋殼體的連接處。

圖7 強(qiáng)制出土工況應(yīng)力云圖

分析可知在橫梁上與角度液壓缸相配合的銷釘孔處有應(yīng)力集中，橫梁的套筒與橫梁的立架內(nèi)板焊接處也有應(yīng)力過大現(xiàn)象。

5 機(jī)構(gòu)的改進(jìn)

由勻速前進(jìn)工況下分析結(jié)果可知，齒套下部應(yīng)力較大，需要對(duì)齒套進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。改進(jìn)方案為：減小齒套下端面的傾斜度；針對(duì)強(qiáng)制出土分析結(jié)果將橫梁左、右架內(nèi)板和外板加厚，如圖8所示。

圖8 齒套結(jié)構(gòu)修改及橫梁左、右立架內(nèi)板和外板加厚圖

對(duì)改進(jìn)后的裝配體重新進(jìn)行有限元分析。

對(duì)勻速前進(jìn)工況分析可知，最大應(yīng)力依舊出現(xiàn)在齒尖處，大小同改進(jìn)前相等，但是橫梁上不再出現(xiàn)超出許用應(yīng)力的區(qū)域。強(qiáng)制出土工況下最大應(yīng)力依舊出現(xiàn)在左、右托架處，屬于應(yīng)力奇異，但是橫梁上無應(yīng)力過大區(qū)域產(chǎn)生。

由上可知，改進(jìn)后整個(gè)裝配體的應(yīng)力都滿足要求。因此松土器的局部改進(jìn)是合理的。

6 結(jié)論

（1）對(duì)原有結(jié)構(gòu)的3種典型工況進(jìn)行有限元分析，結(jié)果顯示，橫梁出現(xiàn)多處超出許用應(yīng)力的區(qū)域，而連接架、托架和齒桿較為安全，故對(duì)橫梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

（2）將橫梁左、右立架的內(nèi)、外板分別加厚，并減小齒套下端面的傾斜度。對(duì)上述改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)再次進(jìn)行有限元分析，結(jié)果顯示改進(jìn)后的裝配體滿足應(yīng)力要求。

（3）本文對(duì)裝配體進(jìn)行整體有限元分析，利用虛擬銷釘、面接觸等設(shè)置條件模擬實(shí)際裝配狀況，求解裝配體的整體應(yīng)力云圖，對(duì)裝配體的有限元分析具有一定的指導(dǎo)意義。

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