推土机六向铲刀头的动力应力分析

【摘 要】应用专用运动动力学分析方法对4种典型计算工况下的推土机六向铲刀头进行了运动动力研究，得到了刀头各计算点处的约束反力；并研究了4种工况下六向铲刀头的应力，进行了详细的强度分析。结果表明，各工况下刀头均有3处应力超过了材料的强度极限，会造成相应位置的开裂现象。

【Abstract】By use of special motion-dynamics method, the dynamic analysis of universal bulldozer shovel seg-ment was conducted in four typical operating conditions. And constraint forces of every considered point were obtained. The stress of universal bulldozer shovel segment was calculated for strength analysis. The results show that there are three points exceeding the ultimate strength under all four typical operating conditions, which causes the cracking phenomenon.

【关键词】六向铲；计算工况；动力分析；应力分析

【Key words】 universal bulldozer shovel; calculated operating condition; dynamic analysis; stress analysis

中图分类号：U415.51 文献标志码：B 文章编号：1000-033X(2012)02-0077-04

0 引言

开发六向铲推土机是近几年来的一个发展趋势，它的运动更灵活，使用范围更广，更能适应和满足实际推土作业的需要，市场前景广阔。但由于空间机构复杂［1］，加上与液压装置的铰接点多，其运动和受力状况更为复杂。

本文从推土机整体入手，应用国内某大学开发的专用分析系统和分析方法，对某型推土机六向铲工作装置整体机构进行运动动力分析，从中得到六向铲刀头的约束反力；将提取的约束反力应用到Pro/Mechanica Structure刀头模型上，结合边界条件，用有限元方法计算细微部位的应力分布，并对得到强度、刚度结果做详细的研究分析。

1 推土机六向铲整体机构动力分析

1.1 六向铲整体机构模型的简化

推土机六向铲工作装置由铲刀、顶推架（铲架）、升降油缸、角度油缸、倾斜油缸和连杆等组成。通过分析，得到经简化的计算分析结构，如图1所示。

从图1中可以看出，该六向铲机构与传统的推土机工作装置不同，不再是平面机构，而是一个空间机构。该机构中，除顶推架与机架通过转动副连接外，其余运动副均为球面副（球铰接）。为了便于分析，特意规定了各铰接点符号（见图1中的字母）。

A（A1）为顶推架与推土机机架的交点；B（B1）为升降油缸与机架的交点；C（C1）为升降油缸与顶推架的交点；D（D1）为角度油缸与顶推架的交点；E（E1）为角度油缸与铲刀的交点；F为顶推架与铲刀的交点；G为倾斜油缸与铲刀的交点；H为倾斜油缸与顶推架的交点；I为连杆与顶推架的交点；J为连杆与铲刀的交点。另外，规定坐标系为固结于推土机机体上的直角坐标系。具体规定为：x轴与推土机前进方向一致，纵向，向前为正；y轴平行于地面，方向以驾驶员左侧为正，垂直于纵向平面；z轴垂直于地面（水平面），向上为正，地面为坐标原点。

1.2 六向铲整体机构模型的建立

在“推土机特种工作装置分析系统”中输入六向铲工作装置机构的原始参数，就可以建立其整体机构的计算模型。需要确定和输入的参数有：与机架相关的参数（图2）、与铲架相关的参数（图3）、油缸及连杆参数、与铲头相关的参数、油缸伸缩参数。

1.3 六向铲机构计算工况及计算载荷的确定

1.3.1 计算工况的确定

通过受力分析可以确定推土机的典型工况，即可确定工作装置受力最大的位置（计算位置）及该位置时的必要条件（计算条件）。

铲刀的最大水平纵向反力P■，是在推土机具有最大顶推力和惯性力时产生的，即推土板顶到障碍物，履带滑转时出现的，其中伴随水平侧向反力P■。

铲刀的最大垂直反力P■，是推土板固定切削时或以全功率提升及入土时产生的。

综合以上分析，对推土机铲刀的计算位置选择按以下4个工况进行。

（1） 第一计算位置：推土机左刀角（M点）顶到障碍物（偏载）。其计算条件为：推土机在水平地面作业；带土的推土板从切削位置提升到运土位置；推土机功率足够大，在提升推土板的同时以最大顶推力向前，即可能使推土机翘尾失稳同时履带滑转。

（2） 第二计算位置：推土机右刀角（M1点）顶到障碍物（偏载）。其计算条件同第一计算位置。

（3） 第三计算位置：推土机左刀角（M点）顶到障碍物（偏载）。其计算条件为：推土机水平地面作业；铲刀侧角顶到障碍物上，且全力向下施压；推土机功率足够大，铲刀在强制入土的同时以最大顶推力向前，即可能使推土机抬头失稳的同时履带滑转；切削位置为即将达到最深的瞬间位置。

（4） 第四计算位置：推土机右刀角（M1点）顶到障碍物（偏载）。其计算条件同第三计算位置。

1.3.2 计算载荷的确定和输入

推土机在推土作业时，其工作装置所受的外载荷有：铲头与铲架的重力，土对铲刀的反力。由于土作用在铲刀上的反力是错综复杂和时刻变化的，因此难以进行精确的模拟计算。为了便于分析和计算，特作以下合理的假设。