推土機(jī)松土器結(jié)構(gòu)改進(jìn)與有限元分析*

李華強(qiáng)，崔昭霞，李 鵬

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

0 引言

松土器是推土機(jī)松土作業(yè)的重要裝置，在松土、破土作業(yè)過程中，車身通過油缸的作用力使松土齒強(qiáng)行插入堅(jiān)硬的巖石，達(dá)到松土的目的。隨著松土器的廣泛使用，其結(jié)構(gòu)也得到不斷的改進(jìn)更新，其目的就是有效地提高推土機(jī)松土器的整體性能，使產(chǎn)品功率向著最大和最小兩個(gè)極端方向發(fā)展。本文通過先進(jìn)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段研發(fā)松土器新產(chǎn)品，在推土機(jī)上增加更智能化的操作裝置，以降低操作員的勞動(dòng)強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)松土器工作性能的優(yōu)化。

1 原松土器分析

D11T推土機(jī)松土器為可調(diào)平行四邊形結(jié)構(gòu),與推土機(jī)后橋殼體相連,它主要由支撐架、橫梁、松土齒、兩個(gè)傾斜缸及兩個(gè)提升缸組成，采用銷連接。松土器通過傾斜缸改變松土角度，通過提升缸來調(diào)節(jié)松土深度。

圖1 原松土器

目前推土機(jī)松土器普遍存在以下問題：

(1) 松土齒調(diào)整安裝不方便。 現(xiàn)有松土齒的安裝是依靠一個(gè)輔助液壓缸推動(dòng)壓桿，壓桿的另一端連接一個(gè)銷子，在松土器橫梁上開有銷孔，松土齒上按間距開有對(duì)應(yīng)銷孔，安裝松土齒時(shí)，需要將橫梁與松土齒對(duì)應(yīng)孔對(duì)準(zhǔn)才能將銷子裝進(jìn)去，由于構(gòu)件自重較大，安裝不方便。

(2) 松土齒伸出量不能任意調(diào)節(jié)。原松土齒伸出量只能通過松土齒上的已有孔距調(diào)整，而在松土齒工作過程中，有時(shí)需要升高松土器對(duì)高處物體進(jìn)行破碎和挖掘，因此就需要縮短松土齒的伸出量；有時(shí)需要對(duì)地面以下區(qū)域進(jìn)行作業(yè)，因此要求松土器有一定的下降深度，松土齒伸出越長(zhǎng)破碎深度就越大；有時(shí)需要在松土過程中調(diào)節(jié)挖掘深度，因此要求松土器能實(shí)時(shí)改變松土齒伸出量。

總之，原有松土器松土齒伸出量的調(diào)整給施工人員帶來很大不便，只有對(duì)松土器進(jìn)行合理改進(jìn)，才能擴(kuò)大它的有效工作范圍和靈活性，滿足實(shí)際需求。

2 松土器的改進(jìn)和分析

通過需求分析，將原有松土齒的銷子連接方式改成調(diào)整缸連接的升降方式，如圖2所示。在調(diào)整缸活塞桿端裝一銷軸與松土齒頂部連接，橫梁上端設(shè)計(jì)一底座固定調(diào)整缸，從而實(shí)現(xiàn)松土齒的自由伸縮。為了防止松土齒工作時(shí)產(chǎn)生晃動(dòng)損害調(diào)整缸，調(diào)整缸選耳軸式液壓缸。

圖2 改進(jìn)松土器

通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)，松土齒在調(diào)整缸的作用下可以在橫梁中任意伸縮，實(shí)現(xiàn)松土齒伸出量的實(shí)時(shí)調(diào)整，解決了原推土機(jī)松土器存在的問題。

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

根據(jù)原松土器提升缸、傾斜缸結(jié)構(gòu)尺寸和松土齒調(diào)整尺寸，理論分析松土器最大挖掘深度和松土軌跡包絡(luò)線。松土器提升缸的行程為610 mm，松土器傾斜缸的行程為830 mm，調(diào)整缸行程為860 mm。

在ADAMS軟件中對(duì)改進(jìn)的松土器模型所有轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)處設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)副，對(duì)提升缸、傾斜缸和調(diào)整缸的缸筒與活塞桿之間設(shè)置移動(dòng)副。

對(duì)提升缸、傾斜缸和調(diào)整缸設(shè)置位移控制參數(shù)如下：

(1) 提升缸編輯器設(shè)置位移參數(shù)為：

step(time,0,0,8,610)-step(time,12,0,16,350)

(2) 傾斜缸編輯器設(shè)置位移參數(shù)為：

step(time,8,0,12,-830)+step(time,16,0,20,830)

(3) 調(diào)整缸編輯器設(shè)置位移參數(shù)為：

step(time,0,0,3,860)

圖3為松土齒齒尖運(yùn)動(dòng)軌跡，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程為：從圖3中最高提升位置開始下降，提升缸和調(diào)整缸同時(shí)輸出，調(diào)整缸在3 s后伸出到最大860 mm，之后再經(jīng)過近1 s松土齒齒尖到達(dá)A點(diǎn)，進(jìn)入被松土物內(nèi)部，直到提升缸行程達(dá)到610 mm，松土齒齒尖到達(dá)B點(diǎn)，此后傾斜缸輸出，經(jīng)過4 s后活塞桿完全輸出至830 mm，松土齒齒尖到達(dá)C點(diǎn)，之后提升缸活塞桿返程運(yùn)行350 mm，松土齒齒尖到達(dá)D點(diǎn)，此時(shí)松土器完成了一次松土任務(wù)，之后傾斜缸完全收回活塞桿，松土齒齒尖又回到A點(diǎn)，整個(gè)過程最大松土深度達(dá)到了870 mm，這是因?yàn)樗赏笼X完全收回時(shí)，齒尖還在橫梁下方漏出一部分，所以當(dāng)調(diào)整缸在3 s后伸出到最大860 mm，最大松土深度達(dá)到了870 mm，橫向?qū)挾茸畲筮_(dá)到655 mm。由于松土器是安裝在推土機(jī)上工作的，因此最大挖掘松土深度是松土器的一個(gè)重要性能參數(shù)，橫向?qū)挾戎皇峭仆翙C(jī)靜止時(shí)的松土器理論值。

2.2 底座有限元分析

在松土齒強(qiáng)制入土?xí)r，松土器底座受力最大，對(duì)其損壞的可能性最大,可通過有限元分析法求得較真實(shí)的受力數(shù)據(jù)，以便對(duì)結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步的安全評(píng)判和參數(shù)設(shè)計(jì)。

底座是由支座和耳子構(gòu)成，耳子與支座通過止口定位螺栓連接。支座通過螺栓連接在橫梁上，耳子與調(diào)整缸的耳軸配合。

底座兩部分的材料均采用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235，經(jīng)熱軋熱處理，其屈服強(qiáng)度為235 MPa，彈性模量為208 GPa，泊松比為0.279，質(zhì)量密度為7 850 kg/m3。該結(jié)構(gòu)板材厚度為50 mm，其許用應(yīng)力為200 MPa。

利用UG_CAE模塊對(duì)其進(jìn)行有限元分析。

2.2.1 前處理分析

(1) 在UG_CAE模塊下建立底座有限元模型和SIM仿真模型。

(2) 添加約束和載荷： 支座底部添加固定約束，耳子與支座間添加面對(duì)面粘合約束。通過計(jì)算可知松土齒伸出量為550 mm時(shí),對(duì)地面作用力最大，其值為98 938 N，作用在耳子的兩個(gè)孔內(nèi)，方向沿著液壓缸軸線向上。

(3) 對(duì)零件添加材料屬性：指定材料的彈性模量為208 GPa，泊松比為0.279，質(zhì)量密度為7 850 kg/m3。

(4) 單元屬性類型：對(duì)分析零件進(jìn)行3D四面體單元網(wǎng)格劃分，此類型網(wǎng)格為四面體十節(jié)點(diǎn)，底座劃分網(wǎng)格單元大小選擇為平均單元尺寸20 mm，四面體單元個(gè)數(shù)為82 699個(gè)。底座前處理模型如圖4所示。

圖3 松土齒齒尖軌跡包絡(luò)線 圖4 底座前處理模型

2.2.2 后處理分析

(1) 底座應(yīng)力云圖如圖5所示，底座最大應(yīng)力值發(fā)生在耳子與支座的接觸處，最大應(yīng)力為100.06 MPa，但對(duì)整個(gè)構(gòu)件來說影響很小。

(2) 圖6、圖7分別為耳子孔內(nèi)應(yīng)力云圖和底座變形云圖。從圖6、圖7中可以看出：承載載荷最大應(yīng)力為19.108 MPa，在該材料應(yīng)力允許的范圍內(nèi)；整個(gè)底座的最大變形量為0.57 mm，也是比較小的，活塞桿與松土齒之間是通過銷軸連接，所以底座的變形不會(huì)影響到松土齒在橫梁內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。

圖5 底座應(yīng)力云圖 圖6 耳子孔內(nèi)應(yīng)力值圖7 底座變形云圖

通過上述分析可知，改進(jìn)后的松土器底座設(shè)計(jì)完全能滿足松土器的使用要求。

3 小結(jié)

(1) 通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)，松土齒在調(diào)整缸的作用下可以在橫梁中任意伸縮，實(shí)現(xiàn)松土齒伸出量的實(shí)時(shí)調(diào)整，解決了原推土機(jī)松土器存在的問題。

(2) 對(duì)簡(jiǎn)化后的裝配體在ADAMS軟件中求解,得到齒尖運(yùn)動(dòng)的包絡(luò)線，驗(yàn)證松土深度和提升高度，得到齒尖的空間運(yùn)動(dòng)軌跡。

(3) 利用UG_CAE模塊，分析了底座在受到最大作用力時(shí)的應(yīng)力和變形，結(jié)果表明底座結(jié)構(gòu)能滿足強(qiáng)度要求，設(shè)計(jì)是合理的。

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