三自由度農(nóng)業(yè)推土機(jī)關(guān)節(jié)摩擦副動(dòng)力學(xué)分析

摘要：為研究當(dāng)前農(nóng)業(yè)機(jī)械推土機(jī)工作裝置關(guān)節(jié)摩擦副受力過大、擠壓磨損嚴(yán)重影響作業(yè)效率問題，以某企業(yè)生產(chǎn)的24 t推土機(jī)鏟斗與斗桿鉸接處關(guān)節(jié)為研究對(duì)象，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)模擬工作裝置在偏載沖擊工況下關(guān)節(jié)動(dòng)態(tài)受力變化；采用ABAQUS對(duì)關(guān)節(jié)處強(qiáng)度進(jìn)行分析，通過實(shí)驗(yàn)測試在掃描電鏡下觀察表面磨損，探尋磨損機(jī)理。結(jié)果表明：關(guān)節(jié)處受偏載沖擊強(qiáng)度較大，應(yīng)力值分布不均勻；磨損表面產(chǎn)生凹坑和犁溝等，磨損形式主要為疲勞磨損與磨粒磨損。此研究對(duì)推土機(jī)及其它工程機(jī)械裝置關(guān)節(jié)摩擦副優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：推土機(jī)；關(guān)節(jié)摩擦副；偏載沖擊；強(qiáng)度；磨損機(jī)理

中圖分類號(hào)： TH113文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1671-5276（2024）06-0000-00

Abstract：This study aims at investigating the problems of excessive force and severe extrusion wear on the joint friction pair of the working device of agricultural machinery bulldozer. The joint of the 24T bulldozer bucket and bucket rod produced by an enterprise taken as the research object， the virtual prototype technology was used to simulate the dynamic force change of the working device under the condition of partial load impact， the strength of the joint was analyzed by the ABAQUS， and the surface wear was observed under the scanning electron microscope through the experimental test to explore the wear mechanism. The results show that the impact strength of the joint is strong and the distribution of the contact stress is uneven. Pits and furrows are formed on the worn surface， and the wear forms are mainly fatigue wear and abrasive wear. This study has a certain guiding role in the optimization of joint friction pairs of bulldozer and other engineering mechanical devices.

Keywords：bulldozer; joint friction pair; off-load impact; strength; wear mechanism

0引言

推土機(jī)作為一種重要的工程機(jī)械裝置，在礦山機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械及房屋建設(shè)等多方面運(yùn)用廣泛［1］。推土機(jī)主要由駕駛室、傳動(dòng)系統(tǒng)、工作裝置、發(fā)動(dòng)機(jī)及電氣系統(tǒng)部分組成，其中工作裝置是推土機(jī)重要組成部分，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)與其它工程機(jī)械裝置也存在一定的差別?？紤]到作業(yè)環(huán)境常處在沙塵等惡劣條件下，且作業(yè)過程中推土鏟齒尖處易接觸巨石障礙物等從而受到偏載沖擊作用，主要關(guān)節(jié)摩擦副處受力較大從而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)松動(dòng)，工作效率低下，產(chǎn)生磨損等嚴(yán)重問題。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，推土機(jī)工作裝置推土鏟與斗桿鉸接處因受力過大導(dǎo)致的磨損問題已異常嚴(yán)重［2］。

近年來，部分學(xué)者對(duì)推土機(jī)工作過程中結(jié)構(gòu)承載力進(jìn)行了相應(yīng)的研究。劉成［3］借助ADAMS對(duì)推土機(jī)前工作裝置鏟斗尖端處在提升和傾側(cè)兩種工況下承載力情況進(jìn)行了分析，結(jié)果表明機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)性能與理論研究值較吻合；王晗［4］對(duì)推土機(jī)挖斗結(jié)構(gòu)在不同工況下進(jìn)行了受力分析，并通過有限元技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；施昌盛等［5］對(duì)一款SD9高驅(qū)推土機(jī)的前工作裝置進(jìn)行了簡單受力分析。

綜上，雖然學(xué)者對(duì)推土機(jī)工作裝置重要結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行了一定的研究，但未從本質(zhì)上解決實(shí)際問題，研究內(nèi)容比較單一。尋找關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)處受力過大的原因，探索關(guān)節(jié)摩擦副處磨損機(jī)理成為優(yōu)化推土機(jī)工作裝置關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的重要因素。本文以一款某企業(yè)生產(chǎn)的24t推土機(jī)三自由度工作裝置為研究對(duì)象，即，大臂與斗桿的轉(zhuǎn)動(dòng)、推土機(jī)推土鏟的移動(dòng)。此外，以推土鏟與斗桿鉸接關(guān)節(jié)摩擦副為例，利用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)法分析在偏載沖擊作用下的關(guān)節(jié)受力及磨損機(jī)理并提出相應(yīng)的優(yōu)化建議，對(duì)工程機(jī)械關(guān)節(jié)改進(jìn)及提高作業(yè)效率提供理論指導(dǎo)。

1推土機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)分析

圖1為企業(yè)提供相關(guān)數(shù)據(jù)建立的24t推土機(jī)三自由度工作裝置三維模型結(jié)構(gòu)示意圖。推土機(jī)工作裝置主要由推土鏟、斗桿臂及液壓油缸組成，推土鏟分為鏟刀和推架兩部分，是工作裝置中重要組成部分。該型號(hào)推土機(jī)液壓油缸最大全伸長度為158mm，推土鏟離地面最大高度可達(dá)50mm。推土機(jī)施工作業(yè)時(shí)，液壓油缸降下推土鏟，鏟刀置于地面上，前進(jìn)推土，后退可平地，該型號(hào)推土機(jī)基本參數(shù)信息如表1所示。

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該推土機(jī)整體工作性能較好，可在惡劣環(huán)境下施工作業(yè)，推土鏟刀容量可承受較大物料重力，液壓油缸動(dòng)力充足，但鏟刀尖端長期處在較大荷載及偏載作用下，易導(dǎo)致工作裝置整體發(fā)生受力波動(dòng)，關(guān)節(jié)處強(qiáng)度過大從而造成磨損。

2工作裝置關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)分析

2.1拉格朗日動(dòng)力學(xué)模型

如圖2所示，為建立的三自由度推土機(jī)工作裝置拉格朗日動(dòng)力學(xué)模型，拉格朗日法［6］是機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析中常用的方法之一，其優(yōu)點(diǎn)在于不需要求出連接處的約束反力。利用拉格朗日法建立動(dòng)力學(xué)模型，主要是對(duì)工作裝置在工作過程中各液壓油缸的受力情況進(jìn)行詳細(xì)分析，考慮到推土機(jī)工作裝置的獨(dú)特性，取其中一側(cè)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，通過理論計(jì)算得出關(guān)節(jié)油缸輸出力矩與關(guān)節(jié)變量的表達(dá)式。

圖2中：mi為各構(gòu)件的等效質(zhì)量；θi為關(guān)節(jié)初始角度；li為各桿件長度；ci為各桿件質(zhì)心位置；Ti為施加在各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩；di為各構(gòu)件質(zhì)心到相應(yīng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的長度。

推土機(jī)工作裝置所構(gòu)成的系統(tǒng)，拉格朗日函數(shù)L定義為系統(tǒng)總動(dòng)能Ek與總勢能Ep之差，即

拉格朗日方程定義為：

由動(dòng)能定理可得系統(tǒng)總動(dòng)能為：

系統(tǒng)總勢能為：

將式（3）、式（4）帶入拉格朗日函數(shù)，整理得：

推土機(jī)工作裝置系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程中動(dòng)力學(xué)方程為：

上述建立了關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩與關(guān)節(jié)角度變量之間對(duì)應(yīng)關(guān)系。推土機(jī)在實(shí)際作業(yè)時(shí)，液壓油缸相對(duì)運(yùn)動(dòng)與關(guān)節(jié)角度變量之間密切相關(guān)，其關(guān)節(jié)角度變化由液壓油缸的伸縮來控制。在偏載沖擊工況下，通過控制液壓油缸的行程，可得出液壓油缸的輸出力矩，為后續(xù)虛擬樣機(jī)動(dòng)態(tài)仿真提供理論依據(jù)和條件。

2.2虛擬樣機(jī)動(dòng)力學(xué)分析

將推土機(jī)工作裝置三維模型導(dǎo)入虛擬樣機(jī)ADAMS中，對(duì)關(guān)節(jié)鉸接處添加運(yùn)動(dòng)副及驅(qū)動(dòng)［7］。本文主要研究推土鏟尖端在受到偏載沖擊作用下推土鏟與斗桿鉸接處關(guān)節(jié)強(qiáng)度變化。通過相關(guān)企業(yè)實(shí)際調(diào)研，設(shè)計(jì)模擬過程主要為常見農(nóng)田施耕作業(yè)過程，即利用液壓油缸作用力將推土鏟下降到一定位置后，齒尖進(jìn)行耕田的過程，工況設(shè)置如表2所示。

推土機(jī)偏載作業(yè)工況中，受到偏載沖擊力F為實(shí)測數(shù)據(jù)，為10 300N，偏載力施加如圖3所示。

設(shè)置完成后運(yùn)行分析，仿真結(jié)束導(dǎo)出推土鏟與斗桿鉸接處關(guān)節(jié)摩擦副動(dòng)態(tài)受力曲線如圖4—圖5所示。

由圖4—圖可知，在偏載沖擊工況下，鏟斗與斗桿鉸接處左右關(guān)節(jié)受力不同，左關(guān)節(jié)受力較大，最大值為614 010N，右關(guān)節(jié)受力最大值為537 520N，左右關(guān)節(jié)受力差別較大，是由于偏載工況特殊性導(dǎo)致的。推土機(jī)啟動(dòng)過程中，由于慣性作用，關(guān)節(jié)處受機(jī)器自重外且受到?jīng)_擊作用，加速度變化較大，關(guān)節(jié)受力短時(shí)間內(nèi)增加較快；隨著油缸作用，推土鏟逐漸到達(dá)地面過程中，此時(shí)關(guān)節(jié)受力處于小范圍波動(dòng)；當(dāng)鏟刀尖端受到偏載作用力開始耕地作業(yè)過程，左右關(guān)節(jié)處受力均增大且左關(guān)節(jié)增大趨勢較快；作業(yè)完成后，鏟刀尖端離開地面過程中，左右關(guān)節(jié)受力在不斷減小。

推土機(jī)工作裝置在提升推土鏟與斗桿機(jī)構(gòu)至合適位置過程中，受到波動(dòng)較大的動(dòng)態(tài)接觸力，此時(shí)關(guān)節(jié)處會(huì)發(fā)生不規(guī)則的碰撞導(dǎo)致擠壓變形、摩擦磨損等現(xiàn)象發(fā)生。當(dāng)運(yùn)動(dòng)至合適位置后，受力和力矩相對(duì)較為平穩(wěn)。偏載沖擊作用在推土鏟尖端左側(cè)，動(dòng)力學(xué)受力情況與實(shí)際相一致。此外，左關(guān)節(jié)處受力矩同樣較大。

3關(guān)節(jié)有限元仿真分析

為深入分析關(guān)節(jié)接觸摩擦副在作業(yè)過程中強(qiáng)度應(yīng)力值變化，在動(dòng)力學(xué)分析得到受力曲線的基礎(chǔ)上進(jìn)行關(guān)節(jié)強(qiáng)度有限元分析?？紤]到有限元計(jì)算精度和模型復(fù)雜性，將推土機(jī)工作裝置中推土鏟與斗桿鉸接關(guān)節(jié)處單獨(dú)拆分，由于左右關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)相同，取其中一處即可，將模型導(dǎo)入有限元軟件ABAQUS中。圖6為工作裝置推土鏟與斗桿鉸接關(guān)節(jié)摩擦副有限元模型，主要由左右兩側(cè)板和中間三根銷軸組成。實(shí)際結(jié)構(gòu)中，部分推土機(jī)關(guān)節(jié)處存在間隙，可避免因不規(guī)則沖擊碰撞運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致銷軸端面與側(cè)板面直接接觸產(chǎn)生過大的力造成損壞。為了更加貼切地探索接觸摩擦面動(dòng)力學(xué)變化及發(fā)生磨損的原因，此處不考慮間隙，因此仿真結(jié)果更加惡劣且接近實(shí)際。有限元分析模型主要接觸關(guān)節(jié)尺寸如圖7所示。

仿真材料為Q355B，彈性模量為206GPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為355MPa；對(duì)模型施加網(wǎng)格質(zhì)量較優(yōu)的六面體網(wǎng)格，并對(duì)模型中3處產(chǎn)生接觸摩擦面間提高相應(yīng)的網(wǎng)格密度，使得計(jì)算結(jié)果更加可靠。設(shè)置3組接觸摩擦面間面與面接觸，摩擦系數(shù)取0.15，3根銷軸設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)約束，并將ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果作為外荷載導(dǎo)入有限元模型中進(jìn)行計(jì)算，仿真結(jié)束后導(dǎo)出左右關(guān)節(jié)處受接觸應(yīng)力值變化如圖8—圖9所示。

由圖8—圖9可知，偏載沖擊工況下，左關(guān)節(jié)接觸強(qiáng)度值大于右關(guān)節(jié)處，左關(guān)節(jié)接觸面最大應(yīng)力值為332.1MPa，未超過材料屈服極限，但強(qiáng)度值較大。由于關(guān)節(jié)處受力過大造成磨損、發(fā)生疲勞破壞等并不是一次作業(yè)過程導(dǎo)致，而是長期處在該交變應(yīng)力中產(chǎn)生的，因此該工況下左關(guān)節(jié)處存在一定的安全隱患；右關(guān)節(jié)最大應(yīng)力值為297.7MPa，左關(guān)節(jié)應(yīng)力值大于右關(guān)節(jié)處，這是由于偏載工況特殊性導(dǎo)致的，仿真結(jié)果與理論情況較吻合［8-9］。

由圖10可知，強(qiáng)度值較大的左側(cè)關(guān)節(jié)摩擦副處銷軸局部受力較大，最大應(yīng)力值為294.4MPa，接近材料屈服極限，長期處在復(fù)雜惡劣工況下，易造成局部接觸應(yīng)力值過大，發(fā)生磨損破壞等現(xiàn)象；同時(shí)左側(cè)板接觸處因偏載沖擊工況產(chǎn)生局部凹陷，實(shí)際作業(yè)過程中，會(huì)造成關(guān)節(jié)間隙處逐漸變大，空氣中灰塵等污染物進(jìn)入造成嚴(yán)重的磨粒磨損。

4關(guān)節(jié)摩擦副磨損機(jī)理分析

通過有限元分析可知，左右兩關(guān)節(jié)摩擦副接觸處均產(chǎn)生大小不同、位置分散的動(dòng)態(tài)應(yīng)力作用，偏載沖擊會(huì)導(dǎo)致某一側(cè)關(guān)節(jié)受力過大，且關(guān)節(jié)內(nèi)局部會(huì)造成應(yīng)力過大現(xiàn)象。為進(jìn)一步尋求應(yīng)力過大的原因，從而選擇合適方法對(duì)摩擦副受力較大處進(jìn)行優(yōu)化指導(dǎo)，借助有限元仿真分析得到的數(shù)據(jù)，作為外載荷進(jìn)行磨損實(shí)驗(yàn)測試，分析應(yīng)力過大處產(chǎn)生的磨損機(jī)理［10］。

在小型摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行磨損實(shí)驗(yàn)，磨損采用對(duì)磨形式，上試樣為35鋼，彈性模量為206GPa，泊松比為0.3；下試樣為Q355B，彈性模量為206GPa，泊松比為0.3；磨損在常溫下進(jìn)行，磨損前用酒精對(duì)上、下試樣進(jìn)行擦洗，以保證表面清潔。轉(zhuǎn)速為200r/min，轉(zhuǎn)角為±60°，根據(jù)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果，設(shè)置上試樣傾斜角度為3°從而較為真實(shí)地模擬偏載沖擊工況，磨損時(shí)間為120min。磨損分左關(guān)節(jié)和右關(guān)節(jié)處，共兩組實(shí)驗(yàn)。

磨損結(jié)束后，取左右關(guān)節(jié)磨損試樣中較為嚴(yán)重的部分，在電火花加工機(jī)床上采用電火花線切割技術(shù)加工出正方形塊狀試樣，邊長為1mm×1mm，在掃描電子顯微鏡下觀察磨損后的試樣，左右關(guān)節(jié)各取兩處進(jìn)行磨損機(jī)理分析，放大倍數(shù)為500，如圖11—圖12所示。

由圖11—圖12可知，左右關(guān)節(jié)接觸摩擦副表面層均產(chǎn)生金屬材料剝落，磨損表面產(chǎn)生大小不一的凹坑，磨損機(jī)理表現(xiàn)為在偏載沖擊工況下產(chǎn)生的接觸應(yīng)力值不斷反復(fù)作用形成的疲勞磨損；隨著磨損時(shí)間增加，空氣中的灰塵等雜質(zhì)顆粒物進(jìn)入對(duì)磨表面，附著在試樣表面上，表面會(huì)發(fā)生劃傷和犁溝現(xiàn)象，此時(shí)磨損機(jī)理表現(xiàn)為磨粒磨損，隨著磨損間隙不斷增大，磨粒磨損效果更加明顯。因此該工況下的磨損機(jī)制主要體現(xiàn)為由疲勞磨損向磨粒磨損轉(zhuǎn)換，且后期以磨粒磨損為主要磨損形式。

5結(jié)語

1） 虛擬樣機(jī)仿真表明偏載沖擊工況下，左右關(guān)節(jié)處均受力較大且偏載力作用的一側(cè)關(guān)節(jié)受力大。同時(shí)有限元計(jì)算得到左右關(guān)節(jié)處均產(chǎn)生較大應(yīng)力，左關(guān)節(jié)應(yīng)力較大，對(duì)工作裝置整體結(jié)構(gòu)存在一定的安全隱患。

2） 偏載沖擊工況下，由于關(guān)節(jié)處做無規(guī)則接觸碰撞運(yùn)動(dòng)，磨損形式由疲勞磨損不斷向磨粒磨損轉(zhuǎn)換變。

3） 本文分析研究推土機(jī)工作裝置鏟斗與斗桿鉸接關(guān)節(jié)摩擦副作業(yè)過程動(dòng)力學(xué)動(dòng)態(tài)變化方法可運(yùn)用至其它工程或農(nóng)業(yè)機(jī)械工作裝置上，具有一定的指導(dǎo)價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 張瀟卓，楊繼紅. 智能無人駕駛自主施工推土機(jī)［J］. 中國安全生產(chǎn)，2020，15（2）：62-63.

［2］ 楊超，辛宇. 推土機(jī)鏟刀提升缸處轉(zhuǎn)軸早期磨損故障的分析與排除［J］. 工程機(jī)械與維修，2021（6）：28-29.

［3］ 劉成. 推土機(jī)前工作裝置仿真分析［D］. 太原：太原科技大學(xué)，2018.

［4］ 王晗. 高速推土機(jī)車體結(jié)構(gòu)及推土鏟推臂的有限元計(jì)算與優(yōu)化［D］. 長春：吉林大學(xué)，2017.

［5］ 施昌盛，柳軍建，賈玉柱. SD9高驅(qū)推土機(jī)前工作裝置簡單受力分析［J］. 河北農(nóng)機(jī)，2019（2）：38，40.

［6］ 李芳，許嘉琪，劉凱，等. 三自由度仿生肩關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)建模與仿真控制分析［J］. 機(jī)械傳動(dòng)，2017，41（10）：65-69.

［7］ 彭麗娜，史青錄，賈旭峰，等. 三節(jié)臂輪式液壓挖掘機(jī)整機(jī)理論挖掘力分析［J］. 礦山機(jī)械，2021，49（3）：13-18.

［8］ 鄧子龍，鈕科. 基于非線性接觸的液壓挖掘機(jī)工作裝置偏載工況下的性能分析［J］. 礦山機(jī)械，2013，41（12）：30-34.

［9］ 王兆強(qiáng)，俞曉蓮，王金鉑，等.15T挖掘機(jī)機(jī)械臂的改進(jìn)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度分析［J］. 礦山機(jī)械，2019，47（10）：15-19.

［10］ LIU C Y，ZHANG Z X，YANG G Y，et al. Finite element analysis and wear mechanism of B4C–TiB2 ceramic tools in turning AISI 4340workpieces［J］. Ceramics International，2022，48（4）：5459-5467.

收稿日期：20230315

基金項(xiàng)目：第二批國家級(jí)職業(yè)教育教師創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)專業(yè)領(lǐng)域課題研究項(xiàng)目（YB2021090201）；青海省\"雙高計(jì)劃\"建設(shè)基金資助項(xiàng)目

第一作者簡介：郭文彬（1986—），男，青海海東人，講師，本科，研究方向?yàn)槠噷I(yè)教學(xué)與研究，guowenbin19862023@163.com。

DOI：10.19344/j.cnki.issn1671-5276.2024.06.000