推土機超級鏟設計分析

金 丹，侯文軍，楊和平，鮑奎宇JIN Dan, HOU Wen-jun, YANG He-ping, BAO Kui-yu（山推工程機械股份有限公司，山東 濟寧 272073）

Design & Research 設計研究

推土機超級鏟設計分析

金 丹，侯文軍，楊和平，鮑奎宇
JIN Dan, HOU Wen-jun, YANG He-ping, BAO Kui-yu
（山推工程機械股份有限公司，山東 濟寧 272073）

[摘 要]簡要介紹了推土機鏟刀的形式及特點，基于挖掘理論對推土鏟主要參數的確定方法進行了探索研究。在此基礎上提出大功率推土機用超級鏟設計理念，并以國內某一大功率推土機為例，對其使用的超級鏟設計原理和性能影響因子進行詳細分析，設計出一款超級鏟的參數并進行了試驗驗證，為以后大功率推土機超級鏟設計開發提供了理論依據。

[關鍵詞]推土機；超級鏟；設計；結構參數

推土機是工程機械中用途較廣的鏟土運輸機械，廣泛應用在電力、建筑、交通和國防等工程施工中。推土鏟是推土機的重要組成部分，推土鏟設計好壞將直接影響整機的作業效率，因此在推土機的設計中，推土鏟的設計尤其重要，鏟刀優劣直接決定了整車在大型土石方工程中的作業性能和效率，對整車評價起到至關重要的作用。

1 推土鏟結構對作業性能影響分析

1.1 推土鏟刀結構

推土機的鏟刀主要有直傾鏟、角鏟和U型鏟等。直傾鏟橫向結構外形為直線形，該鏟形切削力大，但推土板兩側溢漏現象嚴重，推土運土作業效率較低，不適合大功率推土機的大負荷作業工況；角鏟比直傾鏟推土板寬，但高度減少較多，鏟刀容量有所減少，可用于平整場地；U型鏟具有強大的集土、運土能力，生產效率高，但是切削性能有所下降。而大功率推土機的體積龐大，動力強勁，要求既要有較大的切削力，也要有較大的集土運輸能力才能充分發揮其大功率優勢，提高其作業效率。因此需要根據其工況及作業特點，開發一種全新的超級鏟結構，來更好的平衡大功率推土機鏟刀切削力和生產效率的關系。

1.2 推土鏟刀安裝方式

推土鏟根據鏟刀的安裝方式可以分為回轉式和固定式，回轉式是指鏟刀可在水平面轉動一定的角度，轉動角度一般在0°～25°，并且在垂直面內也可實現一定的傾斜，這種方式鏟刀相對較靈活，可對土壤進行相對精細的平整和短距離集土作業，作業效率較低，主要適用于中小功率推土機；而固定式是指鏟刀與推土機縱向軸向固定為直角，這種結構主要能實現鏟刀的升降及在垂直面內的傾斜，負荷能力較強，作業效率較高，主要適用于中大功率推土機。

在現代工程建設中，大功率推土機的作業方式較少，應用范圍較窄，主要要求大功率推土機超級鏟不僅有強大的鏟掘能力和推運能力，而且也要求超級鏟刀能在垂直面內傾斜，以便利用鏟尖進行高強度土壤和巖石剝離作業和適應在斜坡上的作業工況。

2 推土鏟主要參數設計分析

2.1 鏟刀容量

推土機鏟刀容量V是推土機整體性能的一個重要技術指標，其容量V直接影響推土機的生產效率，所以確定其鏟刀容量時，必須考慮推土機在實際中發揮的最大驅動力，因此，推土鏟的容量V和反映履帶推土機最大附著力的推土機使用重量G有個合理的比例關系，根據對中大功率推土機統計分析，推土機使用重量與超級鏟刀的容量的比值一般為35～40kN/m3。

2.2 鏟刀重量

推土鏟安裝在推土機的前部，其質量對推土機的行走穩定性及作業性能有一定的影響。推土鏟過重易導致推土機在不平路面行走過程中翹尾失穩；過輕則使整機重心靠后，推土機鏟刀入土時的壓入力減小，推土鏟入土能力下降。對于大功率推土機而言，其整車重量更大，重心位置和鏟刀重量的設計更要根據其作業工況充分認真分析。

根據大功率推土機推土鏟的設計經驗，其超級鏟的重量（包括液壓缸）取整機重量（不包括松土器）的10%～15%較為合適。

2.3 鏟刀運動參數

固定式鏟刀的運動由升降運動和傾斜運動組成。運動參數主要包括最大下降深度、最大提升高度和傾斜高度。

最大下降深度是提升油缸伸長到最大狀態，使鏟刀切入土壤時，鏟刀與地面間的距離。鏟刀位于最大下降深度時，其切削刃和推土機壓力中心之間的連線與地面夾角一般大于20°。若切削深度過大，由于切削阻力加大，引起牽引力不足；若切削深度過小，發動機功率得不到充分發揮，會降低生產率。

最大提升高度決定了推土機的駛入角，其與推土機最大爬坡能力相關，推土機的最大爬坡角度一般為30°，鏟刀位于最大提升高度狀態時，推土機必須能通過最大爬坡角度的斜坡。

傾斜高度是鏟刀傾斜運動時鏟刀兩刀角最外端在豎直方向的距離，由傾斜油缸的行程決定，傾斜油缸的行程可通過鏟刀傾斜角的調整范圍確定。

2.4 鏟刀結構參數

2.4.1 鏟刀的高度Hg

鏟刀的高度由以下經驗公式確定

式中 Hg——鏟刀高度；

PK——推土機有效牽引力，以10kN為單位；

GS——推土機的使用重量。

2.4.2 鏟刀的寬度Bg

推土機鏟刀必須有自身開辟道路的能力，因此鏟刀寬度Bg必須大于兩側履帶每邊25～35mm。另外，由于鏟刀寬度越大，入土時切削阻力就越大，根據不同的工況，可選用不同寬度的推土鏟，土質越硬，寬度選擇相對較小的。對于超大馬力推土機，鏟刀高度確定后，結合鏟刀的總容量，為了使推土機在挖掘，運土和平整三種工況作業時達到最優的平衡點,可根據下列公式確定鏟刀的寬度Bg的值

Bg=(2.5～3.0)Hg（2）

2.4.3 鏟刀的角度參數

參見圖1,削角δ是鏟刀支地，刀片與地面間的夾角。切削阻力與δ有關，δ越大，鏟刀切削阻力就越大，但入土阻力小。結合后角α的取值，在實際設計時，一般取δ=（50°～60°）±10°。

圖1 鏟刀角度參數

后角α，刀片后段斜面與地平面的夾角。α最好不能小于30°，否則，由于地勢起伏會出現刀片背后接地現象，從而增加摩擦阻力，降低切削能力。

前翻角βK，鏟刀最上緣切線與水平面間夾角。βK的選擇主要考慮使土屑沿推土鏟上緣向前翻滾性能。βK過大，會使土壤離開上緣時不能向前翻滾；βK過小，推土鏟上部的曲率半徑過小，土壤沿推土鏟向上滑動的阻力就大。一般取βK＝65°～70°。

鏟刀斜裝角ε，指整個推土鏟與地面傾斜安裝角度。ε過小，土屑易從推土鏟上緣往后翻落，鏟刀也不易卸土；ε過大，切削角δ隨之增大。一般取ε=75°。

2.4.4 鏟刀曲率半徑R

鏟刀曲率半徑R是決定推土鏟形狀的重要參數之一。它直接影響推土機作業性能。R過小，增加土屑沿推土鏟上升的阻力，并且導致卸土不干凈；R過大，土屑容易向推土鏟后面翻落，減少推土鏟前堆土量。因此確定R值要綜合考慮上述因素，其中最主要的就是避免土屑向推土鏟后面翻落，對于大功率推土機鏟刀，通常取

R=(0.6～0.7)Hg（3)

2.5 耳軸位置

推桿通過耳軸鉸接在臺車架上，其鉸點位置影響鏟刀升降機構的運動，它與鏟刀升降高度、推桿長度等參數有關，大功率推土機超級鏟的推桿一般鉸接在臺車架的偏后位置，甚至很靠近樞軸，其優點是在鏟刀升降時，特別是鏟掘深度有變化時，可使推土鏟的切削角變化較小,結合國內外推土機設計經驗，一般耳軸離驅動輪軸線的長度為主機全長的1/3左右。

2.6 鏟刀材質

鏟刀的推桿框架等焊接結構件一般選Q235、Q345等普通碳鋼材料，這些材料在保證整體強度的同時具有良好的焊接性，易于購買。鏟刀的弧形板選用耐磨性好的NM360、NM400等高強鋼板，同時為增加耐磨量，通常會設計兩層弧形板，通過焊接使兩層弧形板緊貼在一起。刀角、刀片一般選取耐磨性好的31Si2CrMoB，其屈服強度能達到1 620MPa，是目前應用廣泛、比較理想的齒尖鑄鍛材料。

3 超級鏟的主要結構型式及參數

超級鏟刀是指兼顧直傾鏟和U型鏟作業特點的新型結構鏟刀，具有較高的比推力及強大的集土、運土能力，其生產效率高，主要在大功率（一般指發動機功率在350kW以上）推土機上使用。

3.1 結構形式

推土機超級鏟的結構組成如圖2所示，且本文中的推土機超級鏟刀安裝采用固定式。

圖2 超級鏟

這種結構與傳統結構相比不僅采用了雙傾斜油缸，操作者可以直接操作工作手柄實現鏟刀的切削角和傾斜角的變化，大大降低操作者的勞動強度；而且鏟刀前擋板采用了獨特的設計，如圖3所示，中間弧形板較高，兩側側板上緣設計柵欄結構。中間較高的弧形板增加了超級鏟的容量和前翻效率；兩側柵欄可以擋住大塊物料的后翻，駕駛員可以透過兩側柵欄看到更大的視野空間，降低駕駛員的視野盲區，提高操作安全性，從而提高整機作業效率。

圖3 超級鏟刀前視圖

3.2 超級鏟刀的主要結構參數確定

大功率推土機作業強度高，為保證足夠強度和剛度，超級鏟刀采用閉式推土板結構。根據大功率推土機推土鏟的設計經驗和針對性工況分析，我們確定某一大功率推土機鏟刀的主要參數如表1。

表1 某型推土機超級鏟刀的主要參數

4 超級鏟與傳統鏟作業性能對比

4.1 超級鏟優勢

本文根據大功率推土機的特殊工況對超級鏟進行了優化設計，其超級鏟刀具有特殊的形狀和結構，使其作業時與傳統的鏟刀相比有較大優勢：①超級鏟刀刀片受力均勻，并且從左右兩側溢流出的作業物料大大減少；②采用雙傾斜油缸，操作者可根據作業時鏟土、卸載、運載等不同的作業方式調整鏟刀的傾斜角（見圖4），可在短時間內以較少的燃油消耗獲得較大的挖掘量和集土量，與同功率配置傳統半U鏟刀的推土機相比其工作效率提高15%～20%（見圖5）。

圖4 超級鏟刀與傳統鏟刀作業方式對比

圖5 超級鏟刀容量與傳統鏟刀容量對比

4.2 超級鏟生產率

超級鏟作業生產率計算（按運距為40m計算）

式中，q是每鏟推土量，取28.8m3；kB是推土機作業時間利用系數，取kB=0.85；ky是坡度作業影響系數，取ky=1.0；T是一個推土周期循環時間（s）。

假設推土機以前進一擋切土、運土作業，后退三檔返回作業，則式中，l1是切土距離，取6m；l2是運土距離，取34m；v1是切土行駛速度，取0.97m/s；v2是運土行駛速度，取0.97m/s；v4是返回速度，取3.97m/s；t5是推土機調頭時間，取t5＝0；t6是換擋時間，取t6＝3s；t7是鏟刀下落時間，取t7＝2s。

通過本超級鏟刀樣機的裝機試制，及對比試驗驗證（見表2），此款鏟刀的生產率比傳統鏟刀提高15%～20%左右。

表2 超級鏟刀和傳統半U鏟刀生產率對比

5 結 論

推土機鏟刀作業時受力是復雜多變的，并無規律可循，故推土機鏟刀的設計參數往往是通過經驗公式并結合實驗得到的，而本文中則是基于以上原則對推土機超級鏟設計方法進行的研究。本文中提出的超級鏟是綜合考慮了傳統直傾鏟和U型鏟等鏟刀的優缺點開發出的全新結構的推土鏟。本超級鏟的設計參數會隨推土機功率的變化及作業物料的變化而有所改變，最終產品則需要通過不斷的建模，實驗，試制，驗證。本文中采用的設計理念提供了此項新結構鏟刀參數的確定

圖6 超級鏟推土驗證

方法和思路，同時為同類產品的開發提供了借鑒依據。

[參考文獻]

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（編輯 吳學松）

［中圖分類號］TU623

［文獻標識碼］B

［文章編號］1001-1366(2015)03-0032-04

［收稿日期］2015-01-05

Design and analysis of bulldozer super shovel