推土機(jī)鏟刀側(cè)傾機(jī)構(gòu)分析與簡(jiǎn)化

張照奇/ZHANG Zhao-qi

（山推工程機(jī)械股份有限公司，山東 濟(jì)寧 272073）

推土機(jī)鏟刀提升運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，把鏟刀、推桿和斜支撐等當(dāng)成一個(gè)整體，提升油缸的伸縮引起鏟刀上升下降運(yùn)動(dòng)。側(cè)傾則相對(duì)復(fù)雜，推土機(jī)刀板側(cè)傾機(jī)構(gòu)[1]中對(duì)鏟刀、推桿和傾斜油缸等進(jìn)行自由度分析，需要增加一個(gè)能夠補(bǔ)償鏟刀左右擺動(dòng)的機(jī)構(gòu)，才能使鏟刀能夠自由提升和側(cè)傾，文中對(duì)數(shù)十種側(cè)傾補(bǔ)償機(jī)構(gòu)進(jìn)行自由度分析，并提出了比較先進(jìn)的直通桿式補(bǔ)償機(jī)構(gòu)。但很少有文章對(duì)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡及過程進(jìn)行分析，本文以某大功率推土機(jī)為例，運(yùn)用軟件進(jìn)行補(bǔ)償機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程分析，并提出改進(jìn)方案。

1 鏟刀補(bǔ)償機(jī)構(gòu)中心支座位移分析

實(shí)際鏟刀結(jié)構(gòu)形狀(圖1)和簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)（圖2）。側(cè)傾運(yùn)動(dòng)過程為A點(diǎn)和B點(diǎn)不動(dòng)，油缸EM長(zhǎng)度變化，導(dǎo)致鏟刀傾斜，具體可以參考上海320推土機(jī)刀板側(cè)傾機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析[2]。

為了詳細(xì)分析補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程，將所有部件進(jìn)行三維造型，在PROE中對(duì)所有運(yùn)動(dòng)副、尺寸、材料等建模，中心支座IOR與刀板運(yùn)動(dòng)副關(guān)系為銷軸連接，軸向移動(dòng)量按照支座與外檔安裝間隙實(shí)際布置（間隙設(shè)置為-1，1）。當(dāng)左傾斜油缸伸長(zhǎng)到110mm（0，260）然后固定，右傾斜油缸行程（0，260）為自變量，以中心支座IOR沿Y軸的位移量為因變量，右油缸行程0～260過程中中心支座位Y向位移曲線如圖3所示。當(dāng)試著把中心支座IOR軸向移動(dòng)量設(shè)置為（-10，10），同樣條件下，中心支座IOR相對(duì)鏟刀中心的位移量變化曲線如圖4所示，實(shí)際左右移動(dòng)差可達(dá)到10.7mm。從結(jié)果可以看到間隙（-1，1）限制了中心支座IOR的左右移動(dòng)。通過對(duì)比可以看到如果中心支座左右移動(dòng)間隙限制為（-1，1），則左右斜支撐會(huì)受到機(jī)械內(nèi)部本身的壓應(yīng)力或拉應(yīng)力。

圖1 鏟刀三維造型

圖2 推土鏟機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖3 間隙（-1，1）時(shí)支座位移

圖4 間隙（-10，10）時(shí)支座位移

2 中心支座與左右斜支撐交點(diǎn)軌跡

為詳細(xì)分析此中心支座的運(yùn)動(dòng)軌跡和受力過程，需要模擬實(shí)際左右斜支撐（RQ和OP）軌跡與中心支座交點(diǎn)O和R的運(yùn)動(dòng)過程，來(lái)分析是否有內(nèi)應(yīng)力。左右斜支撐（RQ和OP）與左右頂推梁（AD和BC）機(jī)構(gòu)連接方式為球鉸連接，當(dāng)左傾斜油缸FN行程固定，EM油缸運(yùn)動(dòng)時(shí)，油缸行程變化會(huì)引起所有機(jī)構(gòu)軌跡變化。假設(shè)P點(diǎn)為靜止點(diǎn)，則O點(diǎn)為繞P點(diǎn)做球面運(yùn)動(dòng)，同樣R點(diǎn)為繞Q點(diǎn)做球面運(yùn)動(dòng)，而R點(diǎn)和O點(diǎn)又為繞軸CD做圓周運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中每個(gè)球面與對(duì)應(yīng)圓周持續(xù)有交點(diǎn)。

將左右斜支撐（RQ和OP）與O點(diǎn)、R點(diǎn)的球面副解除。按照上述方法一個(gè)圓周線一個(gè)球面范圍交點(diǎn)即為O點(diǎn)和R點(diǎn)實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡。解除O點(diǎn)和R點(diǎn)運(yùn)動(dòng)副后，建立相應(yīng)實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡圖，然后運(yùn)用PROE中機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模塊，執(zhí)行左傾斜油缸伸到最長(zhǎng)時(shí)，右傾斜油缸從最長(zhǎng)縮到最短時(shí)過程中得到球面與圓周交點(diǎn)虛擬運(yùn)動(dòng)交點(diǎn)O′點(diǎn)和P′的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過比較,O′點(diǎn)和P′的X方向差值，可以得到X方向差值曲線如圖5所示。

從差值曲線可以看出，當(dāng)解除O點(diǎn)和R點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)副時(shí)，兩點(diǎn)O′點(diǎn)和P′在X方向差值會(huì)達(dá)到12mm，而實(shí)際兩點(diǎn)為一體并與直線CD平行，不應(yīng)該在X方向有差值。所以如果運(yùn)動(dòng)過程沒有運(yùn)動(dòng)副間隙補(bǔ)償?shù)?，?huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力，對(duì)鏟刀補(bǔ)償機(jī)構(gòu)造成破壞。

圖5 O′點(diǎn)和P′點(diǎn)的X方向差值

3 補(bǔ)償機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化

為減少這種內(nèi)應(yīng)力，需要對(duì)整體機(jī)構(gòu)自由度進(jìn)行分析。鏟刀傾斜為多閉環(huán)空間機(jī)構(gòu)，中間還有局部自由度等其它約束，計(jì)算自由度相對(duì)復(fù)雜。本文在取消中間補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、左右傾斜油缸為某固定位置時(shí)對(duì)整體機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化過程：當(dāng)FN為固定值時(shí)，F(xiàn)NC三點(diǎn)可以確定一個(gè)平面，BCFN為鋼體，BCFN相對(duì)鏟刀平面CDEF只有繞Y和Z兩個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)自由度，油缸FN為固定行程，無(wú)法繞Z軸旋轉(zhuǎn)，所以只有繞Y軸旋轉(zhuǎn)的自由度。同樣右側(cè)ADEM平面當(dāng)油缸EM為固定行程時(shí)，也只有繞Y軸旋轉(zhuǎn)的自由度。整體機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化得到圖6所示單鏈空間自由度。

圖6 簡(jiǎn)化后單鏈空間自由度

這種單鏈空間自由度可以根據(jù)空間通用自由度計(jì)算公式F=6n-5p1-4p2-3p3-2p4-p5[3]

即自由度F=6×3-2×5-2×3=2

此時(shí)兩個(gè)自由度為整體繞AB軸旋轉(zhuǎn)的自由度和前刀板CDEF繞Z軸旋轉(zhuǎn)的自由度。繞AB軸旋轉(zhuǎn)的自由度通過提升油缸進(jìn)行限制，而繞Z軸旋轉(zhuǎn)的自由度通過補(bǔ)償機(jī)構(gòu)可以限制，補(bǔ)償機(jī)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為在ABCD平面內(nèi)一個(gè)斜支撐即可，具體如圖7所示，K點(diǎn)為球鉸，L點(diǎn)為圓柱副，這樣即可以限制左右擺自由度又可以自由地傾斜。

圖7 簡(jiǎn)化補(bǔ)償機(jī)構(gòu)

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)推土機(jī)鏟刀補(bǔ)償機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，主要對(duì)傾斜油缸工作過程中中心支座的位置進(jìn)行過程模擬，分析發(fā)生內(nèi)應(yīng)力的原因，并對(duì)整體復(fù)雜多閉環(huán)機(jī)構(gòu)空間自由度進(jìn)行簡(jiǎn)化，提出一種簡(jiǎn)單可操作、無(wú)內(nèi)應(yīng)力推土鏟側(cè)傾機(jī)構(gòu)，這種機(jī)構(gòu)無(wú)需用結(jié)構(gòu)件裝配間隙來(lái)補(bǔ)償工作過程，無(wú)自由度問題。