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推土机的工作装置结构及液压系统设计(含全套CAD图纸)doc

2019-05-20 07:36 admin

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  买文档后送•☆■▲图纸, 摘 要 推土机推铲货物的作业是通过工作装置的运动实现的。推土机的工作装置由铲斗,支撑臂、连杆及液压系统等组成。铲斗以推铲物料;支撑臂和支撑臂油缸的作用是提升铲斗并使之与车架连接;转斗油缸通过支撑板,连杆★△◁◁▽▼使铲斗转动。支撑臂的升降和铲斗的转动采用液压操作。 先对推土机的发展概况几设计的指导思想、特点、任务进行概述,然后确定方案,在技术设计部分罗列了推土机的主要技术性能和参数,进行了牵引特性计算,工作装置设计。工作装置设计中有工作装置运动分析,对铲斗、支撑臂、连杆机构进行设计等几部分组成。 在工艺设计中叙述了工艺工程。应用程序计算了受力分析。总之,整个设计是有序地完成的。 关键词:推土机;工作装置;强度校核;液压系统 Abstract Bulldozers shoveling cargo operation is accomplished by movement of working device. Of bulldozer working device by the bucket, bracket, connecting rod and hydraulic system, etc. Bucket to push shovel material; Bracket and the bracket is to improve the action of oil cylinder bucket and connected to the frame; Turning cylinder through the support plate, connecting rod to rotate the bucket. The rise and fall of bracket and the rotation of the bucket adopts hydraulic operation. General situation of the development of bulldozer first several design guiding principle, characteristics and tasks are summarized, and then determine the scheme, the technical design part listed the main technical performance and parameters of bulldozer, the traction calculation, working device design. Motion analysis device has a job in the design of device, the bucket, bracket, linkage design, etc. In the process described in the design of process engineering. Application to calculate the stress analysis. In a word, the whole design is done in an orderly fashion. Key words: bulldozer, Working device; Intensity; The hydraulic system 目录 摘 要 1 Abstract 2 第一章 绪论 4 1.1推土机的介绍 4 1.2 推土机在地下推铲作业中的应用 5 1.3 我国推土机的发展前景 6 1.4 推土机分类 7 1.5 结构和原理 8 1.6 推土机总体设计的任务 8 1.7 课题背景和设计意义 8 第二章 推土机总体方案设计 10 2.1 各个机构的选择 10 2.1.1 动力装置 10 2.1.2 传动机构 10 2.1.3 行走机构 11 2.1.4 工作装置 11 2.1.5 液压系统 11 2.2 推土机总体参数选择 12 2.2.1 推土机重量和接地比压 12 2.2.2 推土机的行走速度 12 2.2.3 铲刀的垂直压力及比压入力 13 2.2.4 铲刀的提升高度和切削深度 13 2.2.5推土机生产率 13 2.2.6推土机重心计算 15 第三章 推土机工作装置设计 17 3.1 工作装置结构类型 17 3.2 工作装置主要参数及结构尺寸的确定 18 3.2.1铲刀的高度和宽度 18 3.2.2 推土板角度参数的选择 19 3.2.3推土板曲率半径 21 3.2.4推土板直线顶推架于台车架的铰点位置 21 3.2.6铲刀钢板厚度 22 3.3 推土机工作装置的强度计算 22 3.3.1土壤的切削性能 22 3.3.2推土机受力分析 23 3.3.3推土机作业阻力计算 25 3.4 推土机铲刀的强度计算 28 3.4.1计算位置的确定(第一计算位置) 28 3.4.2超静定计算 28 3.4.3斜撑杆强度计算 35 3.5第三计算位置 36 3.5.1顶推架强度计算 36 3.5.2铰销轴强度计算 37 第四章 推土机液压系统方案设计 39 4.1 推土机液压系统组成与功能分析 39 4.2 推土机变速转向液压系统设计 41 4.2.1 推土机变速转向液压系统原理分析 41 4.2.2 推土机变速转向液压系统原理图的拟定 43 4.3 推土机工作装置液压系统设计 46 4.3.1 推土机工作装置液压系统原理分析 47 4.3.2 推土机工作装置液压系统原理图的拟定 48 4.4 推土机整机液压系统原理图 50 总结 52 参考文献 53 第一章 绪论 1.1推土机的介绍 金属矿山的推铲作业可划分为露天推铲作业和地下推铲作业两大类。我国露天矿采以矿石的比重约占70%,但从事地下推铲作业的人员比露天推铲作业的人员多。这是因为地下推铲作业的条件复杂,使用的设备种类繁多,在产量相同的条件下,对地下矿投资的人力和物力远大于露天矿的缘故。 保护自然环境和合理地利用矿藏资源,是发展社会主义经济的必要条件。随着浅埋矿床的耗尽而愈来愈向深部推铲作业,或当露天升采的深度很大而使地表遭受大面积的破坏时,就必须采用地下推铲作业。可以预料今后地下推铲作业仍将逐渐增加。 不论是露天矿推铲作业还是地下矿推铲作业,对矿体较硬的金属矿山,都是经凿岩爆破将崩落松散矿石或岩石,经装运作业运至下步工序的作业地点。装载作业是矿山整个生产过程小既繁重又费时的作业。所以努力提高推土机械的作业能力,对实现矿山生产的高效率低消耗想着重要的作用。 ZL系列履带式推土机是一种高效率的工程机械,具有结构先进,性能可靠,机动性强,操纵方便等优点。广泛应用于矿山,建筑工地,道路修建,水利工程,港口,货场,电站以及其他工业部门,进行装载,推土,铲挖,起重,牵引等多种作业。对加快工程建设速度减轻劳动强度提高工程质量降低工程成本都发挥着重要作用,因此近几年来无论在国内还是国外推土机品种和产量都得到迅速发展,成为工程机械的主导产品之一。 为适应推土机多功能作业的要求,履带式推土机已经向一机功能方向发展。这主要靠主机控制适合多种作业的组合工作装置完成。80年代国外推土机和液压挖掘机除了不断完善装,挖功能外,正向一机多能方向发展。许多公司竞相生产各式各样的辅助机构。这种机型使用范围很广,其产品受到用户的普遍关注。 在通用拖拉机前端加装载装置,后部加挖掘装置可改装变形成前装后挖拖拉机,亦称挖掘推土机,俗称“两头忙”。 工作装置的性能分析过去多采用作图分析和手工计算法,工作量繁重,精度较低。当分析工矿较多时问题更为突出,为克服手工画图的误差。本次设计前面所进行的工作装置CAD设计是通过看资料、实物,通过初步分析、计算而确定的方案。其次要考虑各个工作液压缸作用力的均衡性,整机的稳定性,整机与地面的附着性、满足结构和布置的可能性,以综合比较初选方案,从而确定机构参数(一般来说,从计算机辅助分析中发现不合理的现象可究其原因,采取改进措施,是设计合理化。对已经拟订的各种方案可通过计算机辅助分析作进一步的取舍和修改,以便确定较合理的方案)。同时,通过性能分析能够很清楚的了解到这个推土机装置在各个位置或各种工况时的里和其它参数,有利于更有效地使用挖掘推土机和使这种推土机工作效率得到最大限度的发挥。 1.2 推土机在地下推铲作业中的应用 地下矿的推铲作业,包括开拓、采准、回采三个步骤。开拓是矿山的基建工程,它是用井巷把地表与山地下矿体接通,并建成完整的运输、通风、排水的并巷工程,包括竖井、斜井、盲井、井底车○▲-•■□场,如水泵房、变电室、机修站、火药库等,还有石门、阶段运输巷道、溜井等。 采准是指掘进形成采区外形的一些巷道及为了回采工作面的碎岩和爆破而需要的自由空间。前者如采区的运输巷道、通风和人行天井,以及电耙巷道等,如切割槽、拉底空间、放矿漏斗等。 回采就是做完采准后,在采区工作面进行的落矿、装运和管理作业。回采中的矿石装运作业是矿山生产的重要环节。 装载作业就是把开拓、采准、回采的矿石或岩石装入运输工具或卸入溜井。开拓、采准和回采三者在使用装运机械方面对比起来,采准工程的特点是:它的装运作业工作量,是在阶段水平以上或矿房内部及矿床上下盘中进行的。一般地说,这些巷道断面尺寸小、长度短,分布在阶段水平以上不同的高度上,要求机械设备轻便灵活,便于调入和调出及迁移到不同高度上。在断面只寸很小的空间内工作,由于设备的调入迁移和使用都比较困难,致使采准工作的机械化程度低、工作效率低、成本高。因此采准工作量的多少,便成为衡量采矿方法好坏的重要指标之一。 1.3 我国推土机的发展前景 随着我国国民经济建设的调整发展,大型履带式推土机的需求量会有大幅度上升,特别是西部大 开发,许多大型工程建设等,大型履带式推土机大有用武之地。另外,世界上生产大型履带式装载 机的国家、企业也不多,出口前景也非常好,苦于我们还拿不出产品。 1999年,我国全行业ZL60型共销28台,ZL80型及ZL100型一台也未销售。因此,我国大型 履带式推土机可以说是基本上未推向市场。影响推出市场的主要原因是,除开发水平较低外,主 要是配套件跟不上。大型 履带式推土机的配套件国内基本上没有,有少量的也是水平低,可靠 性差,不太适用,进口配套件价格又太贵。因此大型履带式推土机的国内市场基本上被国外大公 司所占领。我国推土机行业,特别是主要推土机制造企业,应抓住我国加入WTO 后进口件价格 降低的机遇,进口一部分重要的关键部件,同时为尽量降低成本,加大力度开发一些目前已经有能力开发的零部件,如传动系统中的驱动桥、液压件中的缸、阀等,经过精心设计,开发出 具有中国特色的大型履带式推土机。只要我们的产▷•●品能占领国内市场,也一定能打进国际市场。 国产挖掘推土机及小型多功能推土机数量很少,在我国ZL20型以下属小型推土机,据1999 年全行业主要企业统计,共销售小型推土机有1546 台,能占全行业◆◁•的8.2%。 国外小型推土机及小型多功能推土机,包括挖掘推土机在内,市场份额已相当大。美国的 山猫牌小型多功能推土机年销量在5万台左右,还有美国的凯斯、约翰迪尔、卡特彼勒、英国 的JCB公司等的挖掘推土机及小型多功能推土机年销量都在万台上。可见世界市场上挖掘装载 机及小型多功能推土机市场是多么大,而中国目前这类产品基本上还没有。这类产品特别适用 于市政建设、中小城镇建设、乡间非等级公路建设、一般公路的维护保养、港口码头作业,还 有改造环境、植树造林等。特别是西部大开发,这类产品将有广阔的潜在市场。这类产品的开发,今后肯定是以静液压件传动为主,目前世界上小型推土机、小型多功能推土机基本上都是 静液压传动。我国要能真正把这类产品发展起来,必须有自己的创新。推土机行业的广大企 业,特别是有能力的大企业,应加大创新力度,去争我国小型推土机、小型多功能推土机、挖掘推土机等这一巨大的潜◇•■★▼在市场。 我国西部3000米以上高海拔地区及沙漠地区占了很大的面积,在实施西部大开发中,高原 及沙漠型特殊用途推土机需要量较大,国内目前基本上还没有这类产品,而国外大公司在这方 面已经有成熟的产品。因此,我国加入WTO后,这个巨大的潜在市场很可能被国外大公司所占领。我国的推土机行业从现在起应积极行动起来,与有关科研院所及有关发动机等配套件企业联合起来,尽快开发出具有中国特色的高原、沙漠型特殊用途推土机,去抢占我国西部这一潜在大市场。 中型履带式推土机是国内最成熟而产量又大大过剩的产品。这种产品只要“入世”后实行国 际采购,提高质量、水平、可靠性,那么大批进入国际市场的机遇就在眼前。 1.4 推土机分类 按行走方式,推土机可分为履带式和轮胎式两种。履带式推土机附着牵引力大,接地比压小(0.04一0.13MPa),爬坡能力强,但行驶速度低。轮胎式推土机行驶速度高,机动灵活,作业循环时间短,运输转移方便,但牵引力小,适用于需经常变换工地和野外工作的情况。 按用途可分为通用型及专用型两种。通用型是按标准进行生产的机型,广泛用于土石方工程中。专用型用于特定的工况下,有采用三角形宽履带板以降低接地比压的湿地推土机和沼泽地推土机、水陆两用推土机、水下推土机、船舱推土机、无人驾驶推土机、高原型和高湿工况下作业的推土机等。 我国目前生产的主要是通用型推土机、湿地型推土机以及适应西部大开发达高原型推土机。经历了20多年的稳步发展,目前我国推土机行业已形成从59kW(80马力,山推的SD08推土机,在5.12汶川地震中,由俄罗斯米-26直升机吊起到施工现场)到309kW(420马力,为山推近年来开发的SD42推土机,主要出口到俄罗斯,另据山推内部消息,2009年山推将开发520马力的推土机纳入科研计划)规格齐全的产品系列。而且还出现了根据不同作业工况的需要,采用不同配置模块的变型产品,基本上满足了国内土石方工程对推土机产品的需求。 1.5 结构和原理 履带式推☆△◆▲■土机主要由发动机、传动系统、工作装置、电气部分、驾驶室和机罩等组成。其中,机械及液压传动系统又包括液力变矩器、联轴器总成、行星齿轮式动力换挡变速器、中央传动、转向离合器和转向制动器、终传动和行走系统等。 动力输出机构以齿轮传动和花键连接的方式带动工作装置液压系统中工作泵、变速变矩液压系统变速泵、转向制动液压系统转向泵;链轮代表二级直齿齿轮传动的终传动机构(包括左和右终传动总成);履带板包括履带总成、台车架和悬挂装置总成在内的行走系统。 1.6 推土机总体设计的任务 根据所要设计的推土机的主要用途、作业条件、制造情况等全名正确的确定影响整机性能的主要参数、各总成的型式,并进行合理的布置。 总体设计包括以下内容: (1)根据设计任务,选择机型及各总成结构型式,确定总体布置方案。 (2)确定整机主要性能参数。 (3)按总体性能要求,确定各总成主要参数及相互之间的关系。 (4)进行必要的总体计算。 (5)绘制整机尺寸链图及总图。 (6)辅助系统设计。 总体设计对整机性能起决定性的作用,因为整机性能的好坏,不仅取决于的各总成本身性能的优略,而且更重要的是与他们之间的协调有关。组成整机的各总成之间的联系又相互制约。在总体设计中,如果对整机缺乏总体考虑,那么即使各总成的造型与设计是好的,是先进的,但组合在一起不一定能取得良好的的效果。因此在总体设计中,各总成要相互协调,不能片面强调某一局部,必须从整机出发全面考虑,从而获得较高的经济技术指标。 1.7 课题背景和设计意义 随着社会经济的发展,竞争无处不在,现在对学生的要求越来越高,不仅对学生的理论要求提高了,而且对学生的动手能力的要求也有所提高,而这次的毕业设计就是对学生的理论实践能力的一次提高。 本次设计主要完成推土机工作装置结构和液压系统设计,需要查阅很多相关资料和深入思考问题,这对专业能力的提升有很大帮助。 在这次的设计中,应用了结构力学的知识,提高学生对软件的应用能力。 第二章 推土机总体方案设计 2.1 各个机构的选择 推土机总体结构包括动力装置、传动机构、行走机构、工作装置、液压系统、电气系统和驾驶室等。 2.1.1 动力装置 推土机的工作特点是在户外连续作业,且阻力时常变化,宜选取 12 小时功率作为发动机装车的标定功率,转速在1800~2000r/min之间,功率为120kw,速度适应系数应在 1.35~1.55 的范围内。 选用康明斯柴油发动机,额定功率 120kw,最大输出扭矩 780N·m。 2.1.2 传动机构 采用发动机—液力变矩器—变速器—中央传动—最终传动的路线)液力变矩器 推土机功率 120kw,属大型推土机,应选液力机械传动。液力机械传动所选变矩器应有较大的工作变矩系数和启动变矩系数,以及较大的最高效率较宽的高效率范围,而且穿透性应比较小。 选用 YJ380 型单级单相三元件液力变矩器,循环圆直径 380 mm,变矩系数2.38,最高效率 86%。该变矩器使推土机输出力的大小能自动适应外负载的变化,并保证超载运行时发动机不熄火。 (2)变速器 变速器要求结构紧凑,换档平稳,换档时无需切断动力。 采用行星齿轮式动力换档变速器,速度的切换通过手操作液压控制阀实现,前进后退各三档,采用强制润滑。 (3)中央传动和最终传动 采用一对螺旋圆锥齿轮传动,将动力分左右两部分。通过左右转向离合器再将动力传给最终传动,最终传动为二级直齿轮减速机构,结构简单,承受力强,是推土机的主要受力部件。 (4)转向机构 采用多片湿式转向离合器,利用弹簧压紧,手操纵(与制动器联动)油压助力压缩,液压分离;采用湿式带抱式脚踏油压助力转向制动器,以转向器从动鼓作为制动鼓。 2.1.3 行走机构 行走机构由台车、平衡梁和四轮一带(托轮、链轮、支重轮、引导轮和履带) 组成。台车通过平衡梁与机架间半刚性联接,支撑推土机前部币量。台车张紧液压缸起张紧履带的作用,缓冲弹簧起缓和冲击的作用。履带为密封润滑型耐磨损,摩擦系数低,使用寿命长。 2.1.4 工作装置 推土铲可根据不同的使用土况配置角铲、直倾铲、U 形铲和环卫铲。后工作装置可配置单齿松土器、三齿松土器、工业绞盘、拖式铲运机、拖式振动压路机等,并可根据用户需要改装成吊管机和焊接工程车,这些工作装置均为液压驱动、结构简单、连接方便。 采用液压操纵式直倾铲刀,铲刀可以在液压缸的作□◁用下强制入土,在较硬土质条件下正常作业,保证作业质量,操作轻便,易于控制。工作装置布置在推土机前端,主要包括推土铲刀、顶推架、水平撑杆、斜撑杆和控制推土铲刀起落的液压缸。 直倾式铲刀的推土板采用中部为圆弧段,上部为挡土板,下部为直线段的复合型推土板,推土板断面结构为半开式。推土板侧边与推土机纵轴方向夹角一般为 5~7 度。 2.1.5 液压系统 液压系统分为变速变矩液压系统、转向液压系统和工作装置液压系统。变速液压系统由变速泵、变速阀等组成,用于推土机的前进、后退和变速换挡,使推土机换挡平稳、可靠、省力。转向液压系统由转向泵、转向阀等组成,用于推土机的转向和制动,使推土机转向制动灵活可靠。工作装置液压系统由工作泵、控制阀和液压缸等组成,用于推土机工作装置的提升、下降和保持,作业效率高。 2.2 推土机总体参数选择 推土机的总体参数包括重量、速度、牵引力等。初选时,一般按经验公式或相似法则来确定,然后通过总体计算来校核总体性能。如果计算结果不够理想,必须对某些参数做适当的修改,以获得良好的总体性能。 2.2.1 推土机重量和接地比压 推土机的重量总体性能影响很大,他是衡量发动机功率利用的一个重要参数。 此款推土机的使用重量是173850N,其发动机额定功率是120Kw,所以其比重量约是1.45。 推土机的接地比压q是使用重量与履带接地面积F之间的比值按下式计算: (2.1) 式中:——推土机的使用重量(KN); L——履带接地长度(m); b——履带板宽度(m); 其中,是173.85kN,L为2.43m,b为0.51m。 =68KPa 履带式推土机的接地比压一般在60KPa左右。 2.2.2 推土机的行走速度 推土机前进速度: 1档:0~3.8km/h;2档:0~6.6km/h;3档:0~10.6km/h 推土机后退速度: 1档:0~4.9km/h;2档:0~8.5km/h;3档:0~13.6km/h 2.2.3 铲刀的垂直压力及比压入力 铲刀的垂直压力p是以推土机在油缸的作用下,抬头失稳极限情况下确定的,其计算公式如下: P=(N) (2.2) 式中:—推土机使用重量(N); 、—铲刀切削刃及整机重心至倾翻点水平距离; 为17385N, 、分别为3.5m,1.2m,所以有如下: P=17385N×=42255N 比入压q是铲刀单位支地面积的垂直压力。q按下式计算: q3.4MPa F—切削刃接地面积(㎡)。 2.2.4 铲刀的提升高度和切削深度 此款推土机铲刀的提升高度为1095㎜,铲土深度为545㎜。 2.2.5推土机生产率 影响推土机生产率的因素主要有每铲最大推土量V,推土作业生产率,平地作业生产率。 1 每铲最大推土量V: V= (2.4) 式中:—推土板宽度(m),取0.2m; —推土板高度(m),取1.149m; h— 平均切土深度(m),取0.545m; —土的自然坡度角,取; —土地的充盈系数,取1.0。 所以V=×1.0=0.063 2 推土作业生产率: =(/h) (2.5) 式中:—推土机作业时间利用系数,取0.90; —推土板土量损漏系数,取决于运输距离L, =1-0.005L; —坡度作业影响系数,取0.7; T—一个推土周期循环时间(s),取 T=+++2++ (2.4) 式中: —切土距离,取10m; —运土距离,取50m; 、、—分别为切土、运土、返回的速度(m/s),分别取0.8 m/s、1.6 m/s、4 m/s; —推土机掉头时间,取10s; —换挡时间,取4s; —铲刀下落时间,取1s。 所以T=84s 推土作业生产率==1.28 /h 2.2.6推土机重心计算 1 . 重心位置分析 推土机的中心位置主要是指纵向的位置,横向一般分布在推土机纵轴中心线上,重心的高度在满足离地间隙要求的情况下,为提高稳定性,应尽量降低。 影响重心位置有两个:一个是总体布置是否合理;另一个是作用在铲刀上的外载荷的变化。推土机在各种工况作业时,地面对铲刀反力的大小和方向是影响接地比压的重要因素。显然不可能要求在任何情况下推土机接地比压均匀,并使得压力中心保持在接地中心上,因此只能找出一个对推土机总体性能影响最大而又经常遇到的工况,满足上述要求,这是推土机重心合理布置的基本要求。 2.重心位置的确定 (1) 理论分析:为了使液压推土机铲刀具有良好的的强制入土的性能,重心入土以强制入土为基本情况。此时,要求接地比压均匀,压力中心位于接地重心上。如图3-1: 图1 重心位置的确定 以驱动轮中心线与地面交点O为坐标原点,建立坐标系。重心位置距O点为l,地面对履带支反力的合力N距O点为接地长度的一半,即L/2。 由=0得: N=- (3.1) 由=0得: --N=0 (3.2) 则 =+=1.46m 从上式可见,推土机重心的确定,以入土工况为基本工况是,必须将重心布置在接地中心之前,其前超量为。重心位于接地重心之前,使铲刀强制入土性能提高,入土力大,不易抬头。 第三章 推土机工作装置设计 3.1 工作装置结构类型 推土机的工作装置也称铲刀,它包括推土板,顶推架,铲倒升降机构等。 推土板的横向结构外形为直线型,直线型推土板切削力大,但推土板两侧有土遗漏现象。推土板前土形成的时间较长,因此它主要用于短距离土的剥离和运输。如图3-1: 图3-1 直线型固定式铲刀 推土板纵向外形结构为复合型,下面直线段,上面为圆弧段。如图3-2所示: 图3-2 推土板结构外形 推土板断面结构为断开式,如图3-3所示: 图3-3 推土板断面结构型式 推土板侧边与推土板从轴方向的夹角是~。推土板两侧轮廓为直角外形。 推土机的外形对减少推土机在作业时的能量消耗,提高作业效率有很大关系。合理的推土板外形土的切削阻力较小,土屑沿推土板面向上滑移时,摩擦功消耗较小,并且土屑再向上滑移的同时,向推土板的前方滑落,容易形成较大的土块。 设计推土板外形是要考虑以下因素: (1)土屑在推土板上缘易向前翻落,不应越过刀背向后翻落。 (2)推土板前积累土体要多。 (3)土屑沿推土板前面上升时变形小。 (4)推土板卸土干净,不易粘着湿土。 3.2 工作装置主要参数及结构尺寸的确定 3.2.1铲刀的高度和宽度 (1) 铲刀的高度铲刀支地,沿地面垂直方向量出的高度称为铲倒高度 铲倒高度取决于发动机的额定功率,可按以下经验公式确定: =(220~275) (㎜) (3.1) 式中:—发动机的额定功率(KW) =233×=1149㎜ (3.2) (2) 铲倒宽度 铲刀切削刃外廓宽。推土机铲刀必须有自身开辟道路的能力,因此铲刀宽必须大于行走装置每边25~35㎜。 当铲刀高度确定后,也可以根据经验公式确定铲刀的宽度: =(2.5~3) (3.3) =3×1149=3416㎜ 3.2.2 推土板角度参数的选择 推土板的形状对减少推土机作业过程中能量消耗, 提高作业效率有很大关系。合理的推土板外形,土的切削阻力较小,土屑沿推土板面向上滑移时,摩擦功消耗较小,并且土屑在向上滑移的同时,向推土板前面翻落,容易形成较大的土堆;不合理的推土板外形,使土的切削阻力增加,土屑在向上运动及向前翻滚时杂乱挤出,这样就加大了土屑间摩擦力,增加了能量的消耗。对于同样的土,当切削面积相等时,推土板外形稍有改变,切削阻力就随之改变,所需的顶推力也就不同。推土板角度参数包括切削角δ,后角а,刀刃尖角β,前翻角 ,挡土板安装角 ,推土板斜装角ε,挡土板垂直面倾斜角ξ。推土板各角度如图 3-4所示。 图3-4 推土板角度参数 (1)切削角的选择 切削角δ是铲刀支地,刀片与地平面间夹角,δ越小土的切削阻力就越小,由于推土机正常作业时,必须保证后角а大与 30°。因此δ过小不仅使а得不 (2)后角的选择 后角а是刀片后端斜面与地平面的夹角,若а30°,由于地形起伏会出现刀片背后接地现象(此时а=0),从而增加摩擦阻力,使切削能力降低。若а▼▲太大,则推土阻力明显增大。选а为 30°。 (3)刀刃尖角的选择 刀刃尖角β是刀片前后面夹角,β过小刀片强度减弱,β过大引起后角а过小。选β为 30°。 (4)前翻角的选择 前翻角是推土板最上缘切线与水平面夹角。的选择主要考虑使土屑沿推土板上缘向前翻落性能良好。选为 75°。 (5)推土板回转角的选择 推土板回转角φ是指在水平面内,推土板与推土机纵轴线的夹角,对于固定式铲刀。取φ=90°。 (6)推土板倾斜角的选择 推土板倾斜角ξ是在垂直面内推土板与地平面夹角,有了ξ角能使推土机在坡地上,横向推出水平切土面,以及在平地上推出横坡,另外对较坚硬土可用角铲作业(铲刀尖肯地)。ξ的调整范围,取ξ为±10°。 (7) 挡土板安装角的选择 挡土板安装角是推土板上部挡土板与地平面的夹角,取 90°,加装挡土板的目的是防止土屑往推土板后面翻落并增加推土板前积土量。 (8)推土板斜装角的选择 推土板斜装角是整个推土板与地面倾斜安装的角度。ε过小,一方面土屑易从推土板上缘往后翻落,另外,由于推土板上积土太多而引起铲刀提升阻力增加,ε过大,则随着切削角δ增大,使得土屑上升变形加大,增加切削阻力。取ε=75。 推土板角度参数值的选择见表 3.1。 表3.1 推土板角度参数 3.2.3推土板曲率半径 推土板曲率半径 Rg 是铲刀的重要参数之一,它直接影响到推土机的作业性能。当推土板高度一定时,为了不使土屑向推土板后◆▼面翻落及增大铲刀前面的积土量,Rg 宜小些,而为了减小土屑上升阻力及卸土干净,Rg 值又宜大些。因此确定 Rg 时要综合考虑上述因素,其中不使土屑往推土板后面翻落是主要因素,也就是要求 90,一般需满足 Rg(0.8—0.9)Ho,通常取 Rg= Ho。 3.2.4推土板直线部分及档土板尺寸 固定式铲刀推土板采用下部为直线段的复合形推土板,下部直线部分用来安装刀片,直线部分等于刀片宽度。 取 a=0.15Hg=172.35≈180mm 推土板垂直高度根据总尺寸确定。 3.2.5顶推架于台车架的铰点位置 顶推架铰接在台车架上,其铰点位置影响铲刀升降机构的运动,它与铲刀升降高度、顶推架长度等参数有关。 顶推架铰点位置对台车架的受力状况影响很大(尤其当铲刀受到偏载及横向力时,太靠前则台车架发生较大形变,太靠后则推土机易前翻),为了使铰点反力均衡的(纵向和横向)传至台车架和八字架上,避免台车架受力过大发生形变,铰点位置一般选在八字架与台车架联接中点的附近。 3.2.6铲刀钢板厚度 推土板及顶推架均是钢板焊接部件,钢板厚度由刚度和强度条件确定。取钢板的厚度为22㎜。 3.3 推土机工作装置的强度计算 3.3.1土壤的切削性能 表1 几种土壤的粘聚力C和重度 塑性土壤的种类 粘土 亚粘土 亚砂土 C/MPa /(KN/m3) C/MPa /(KN/m3) C/MPa /(KN/m3) 硬性 0.10 21.5 0.06 21.5 0.02 20.5 半硬 0.06 21.0 0.04 21.0 0.015 20.0 低塑 0.04 20.5 0.025 21.0 0.01 19.5 塑性 0.02 19.5 0.015 19.0 0.005 19.0 高塑 0.01 19 0.01 18.5 0.002 18.5 流动 0.005 18 0.005 18.0 0.00 18.0 表2 土壤的自然坡度角 种类 状态 碎石 砾石 砂石 粘土 轻亚粘 土 种植土 粗砂 中砂 细砂 肥土 贫土 干 35 40 30 38 35 45 50 40 40 湿 45 40 32 35 30 35 40 30 35 饱和 25 35 27 25 20 15 30 20 25 表3 土对钢和土对土的摩擦系数、 土壤名称 砂土和亚砂土 0.8 0.35 中质亚粘土 1.0 0.50 重质亚粘土 1.2 0.80 土壤内摩擦角=,土与钢的摩擦角。 表4 各种土壤的切削比阻力及刀刃入土比阻力(MPa) 土级别 土的名称 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ 砂、砂质上、中等湿度的松撤粘土、种植土 枯质土、中纲砂砾、松散软粘土 峦实枯土质、中等钻土、松散粘土、软泥炭 合碎石成卵石的枯土、雹湿枯土、中等坚实煤炭、合少量杂质的石砾堆积物 中等页岩、得于枯土、坚实而硬的黄土,软石膏 0.01——0.03 0.03——0.06 0.06——0.13 0.13——0.25 0.25——0.32 0.25 0.6 1.0 1.4 表5 履带行走机构在各种地面的滚动阻力系数和附着系数 支撑面种类 滚动阻力系数 附着系数 铺砌的路面 0.05 0.6—0.8 干燥的土路 0.07 0.8—0.9 柔软的砂质路面 0.10 0.6—0.7 细砂地 0.10 0.45—0.55 收割过的草地 0.10 0.7—0.9 开垦的田地 0.10—0.12 0.6—0.7 冰雪冻结的道路 0.03—0.04 0.2 3.3.2推土机受力分析 推土机作业受力分析是强度计算的依据,就是确定外载荷,踏实工作装置提升机构的工作依据,而且为工作装置、履带台车架等零部件强度计算提供载荷依据。 (一) 铲刀自重 液压推土机靠油缸力使铲刀强制入土,所以铲刀不必太笨●重,铲刀自重在强度及刚度允许的情况下,可适当减轻。可以用经验公式确定铲倒自重: =(0.18~0.21)(N) (3.4) —推土机的使用重量。 所以有:=17385×0.18=31293N (二) 铲刀提升力计算 铲刀提升力是指提升装置的提升作用力,当铲刀遇到大障碍物,铲刀提不起来,而铲刀提升机构供给的提升力足以使推土机绕履带接地最前端(A 点)倾翻。 以拖拉机为脱离体,拖拉机受力有:拖拉机使用重量 GT,顶推架绞点支反力和,提升力,按内力平衡,、、分别和、、大小相等,方向相反。 图3-5 铲刀提升力计算受力图 =0得GT+Xm-Z-S=0 得 Sy=S= (3.5) 以铲刀为脱离体,铲刀受力有:土的反力 Px 和 Pz,铲刀自重 Gg,顶推架绞点C 的反力 Xc 和 Zc,提升力 Sy,此时与地平面成θ角。 =0 得X=Xc=Px+Sycos =0 得 Z=Zc= 将X和Z值代入式,得 Sy= (3.6) 式中:—推土机使用重量 Px—土的反力 Gg—铲刀自重 θ—提升力与地面夹角 —Sy 力与作用线距离 l、、lg--见图示 Sy= =120860N 考虑动载荷的铲刀提升力: = (3.7) 式中: --动载系数,查表取1.4 故=169200N 3.3.3推土机作业阻力计算 以推土机在水平地面匀速行驶,铲刀以最大切土深度进行作业,当切土结束提升推土铲★◇▽▼•的瞬时所产生的最大作业阻力作为 计算工况,其作业阻力主要有:切线切削阻力 Pq,铲刀前积土的推移阻力 Pt,刀刃与土壤摩擦阻力 Pm1和土屑沿铲刀上升时的摩擦阻力的水平分力 Pm2, (1)切线切削阻力 Pq 设 Pq 的作用点在铲刀刃前, 作用方向沿铲刀切削角底边并与推土机前进方向相反,则: Pq = B (3.8) 式中:B--- 推土板的宽度 (3.416m) --- 切削比阻力,查表4取=0.05(MPa) ---推土产平均切削深度(m) 图3-6 推土铲平均切屑计算 =(-)sin=-sin =0545-sin=0.248m 故=×3.416×0.248×0.0542358 N (2)铲刀前积土的推移阻力 =· (3.9)式中:—土与土之间的摩擦系数,查表3取0.5 —推土铲前积土重量 = (3.10) 式中:—土的重度(N/),查表1得=21×N/ B—推土铲的宽度(3.416m) H—推土铲的高度(1.149m) —推土铲平均切屑深度(0.248m) —土壤的自然坡度角,查表2得取 故=21×=34701N 故=34701N×0.5=17351N (3)刀刃与土壤摩擦阻力: =·B·x· (3.11) 式中:—推土铲切削刃磨损后切削刃压入土的比阻力,查表4得 0.483M▲●…△pa B—推土铲宽度(3.416m) x—切削刃磨损后的接地长度 m (取 0.008m) —土壤与钢铁的摩擦系数,查表3取 1.0 故=×0.483× 3.416 ×0.008 ×1.013200N (4)土屑沿铲刀上升时的摩擦阻力的水平分力 = (3.12)式中:Gt—推土铲前积土重量(34701N) —土壤与钢铁的摩擦系数(1.0) —推土铲的切削角(55°) 故=34701 ×1.0× 55° = 11416 N 综上所述:推土机的作业阻力 PT 为: PT=Pq+Pt+Pm1+Pm2=42358+17351+13200+11416=84325N 上述作业阻力计算时,没有考虑铲刀碰撞障碍物时的冲击载荷的影响,当铲刀碰撞到难以克服的障碍物时,推土机仍全力顶推,履带完全滑转,此时需考虑猛烈的冲击及惯性力,计算经验公式: Px =Kd ·PT (3.13) 式中:Kd—动载系数,取 1.5 故Px=1.5 ×84325=126488N 3.4 推土机铲刀的强度计算 3.4.1计算位置的确定(第一计算位置) 铲刀的水平土反力 Px 和顶推架绞点水平反力 Xc 的最大值,适当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。 铲刀的土切垂直反力Pz 和铲刀升降力的最大值, 是在推土板固定切削时或者以全功率提升及强制入土时产生的。 推土机中部顶到障碍物,其计算条件为: ⑴推土机在水平地面作业 ⑵带土的推土板从切削位置提升到运土位置 ⑶推土机功率足够大,在顶升推土板的同时,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。 3.4.2超静定计算 为了使铲刀有足够的高度,推土板和顶推架往往组成一个超静定构件,因此需要按解超静定方法进行铲刀的强度计算。 首先绘制计算草图,如图3-7所示,其中各件的几何尺寸和相互间位置,是根据总体布置要求确定。 图3-7 超静定计算草图 已求出,, =·ctg() =-22303N 式中: 土对钢的摩擦角=arctan1= 将Px和转算到顶推架平面上,其合力为 则:= +cos 式中:λ --力与顶推架平面间夹角(45°) 故 =238452N 此时附加力矩M1,M2 顶推架平面内构建具有三个多余约束,即顶推支座多余一个约束及水平撑杆多于两个约束。由于P1 作用在推土板中间,两水平撑杆的约束相同,所以可简化为两次超静定结构。 解此超静定系统求出支反力和两个水平杆的约束力,首先画出该结构所受多余未知力X1,X2,如图3-8 所示。 图3-8 工作装置所受多余未知力 并建立两个补充方程: ++=0 (3.14) ++=0 (3.15) 式中:和--去除多余约束后假设的未知反力 、和--分别为、和力作用下沿作用方向上的位移量 、和--分别为、和力作用下沿作用方向上的位移量 顶推架与履带台车架两绞点的作用力分别为、和、。 图3-9 多余未知力计算图 在P1载荷下: =-=0 得===119226N =-=0 ===55311N ===0 ==165933N 在单位力作用下: =-1+1=0 得==0 =-1=0 得== ===0 ==0 在单位力作用下: = =0 = =0 ==== =sin 通过以上分析计算,建立在载荷 P1 作用下和单位力=1和=2作用下,基本结构图上的弯矩图、和,如图 3.5 所示,图乘法计算、、、、、值: == === == =-=- =- =- 带入以式3.14与3.15得: =21967.73N =193985.3N 多余未知力求出后,最后弯矩图可有下式按叠加原理计算: Mg= (3.16) 得到工作装置所受轴向力和弯矩图如图3-10所示: 图3-10 工作装置所受轴向力和弯矩图 推土板在外力作用下,从Mg 图可见,推土板中间O 截面及顶推架的D 截面弯矩最大。 得到推土板截面特性参数如下: 体积 = 9.8732567e+07 曲面面积 = 1.6882094e+07 密度 = 7.8000000e-06 kg / 质量 = 7.7011402e+02 kg 根据推土铲 坐标边框确定重心: X Y Z 1.6978878e+03 7.0192331e+02 -1.4649351e+02 mm 相对于推土铲 坐标系边框之惯性. (kg×㎡) 惯性张量 Ixx Ixy Ixz 4.7590098e+08 -9.1781195e+08 1.9155013e+08 Iyx Iyy Iyz -9.1781195e+08 3.0798006e+09 8.8997762e+07 Izx Izy Izz 1.9155013e+08 8.8997762e+07 3.5055927e+09 重心的惯性(相对推土铲坐标系边框) (kg×㎡) 惯性张量 Ixx Ixy Ixz 7.9941711e+07 0.0000000e+00 0.0000000e+00 Iyx Iyy Iyz 0.0000000e+00 8.4317113e+08 9.8090872e+06 Izx Izy Izz 0.0000000e+00 9.8090872e+06 9.0605779e+08 主惯性力矩(kg×㎡) I1 I2 I3 7.9941711e+07 8.4167662e+08 9.0755230e+08 从推土铲定位至主轴的旋转矩阵: 1.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.98859 0.15062 0.00000 -0.15062 0.98859 从推土铲定位至主轴的旋转角(度): 相对 x y z 的夹角 -8.663 0.000 0.000 由 = = 根据以上数据得: =0.0643 =0.254 =-3308.8N?m =21717.1 N?m O 截面的正应力值为: 代入数据得: 设扭矩值与刚度成正比故O 截面上扭矩剪切应力为: 式中:--O 截面上各外力对扭转中心的力矩值之半 (约束承担了一半扭矩) --O 截面各板厚度 --截面各部分的扭转惯性矩 代入数据得:==88.7Mpa 推土板中间O 截面的总应力按第三强度理论求得: = (3.17) 式中: --许用应力 带入数据得:==190.2 Mpa380 Mpa 校核合格。 3.4.3斜撑杆强度计算 在推土板垂直平面内,推土板与顶推架绞点支反力为 ,推土板与斜撑杆绞点反力为 ,由于 和的作用,产生力矩和 = =cos 由=0 得: -++sin-(+)=0 = 代入数据得: ==98483N 由=0得: -++sin+(+)=0 = 代入数据得: ==-139344N 斜撑杆受轴向力: = 式中:--斜撑杆截面积 代入数据得:==246.9 MPa =380MPa 校核合格。 3.5第三计算位置 第三计算位置是超静定体系,此位置主要计算顶推架、绞销轴。可按静定方法计▪▲□◁算。 3.5.1顶推架强度计算 顶推架绞点反力和由图3-11根据力矩平衡式求得。 (N) (N) 图3-11 铲刀第三位置计算图 =812497.5N =204617.2N 3.5.2铰销轴强度计算 此位置时销轴危险截面为I-I面(如图3-12),销轴受力为,其计算如下: ==838204.5N 图3-12 绞销轴受力 (MPa) (3.18) 式中:W—销轴抗弯截面模量(),值为0.005 —销轴的轴向力,取32536N F—销轴断面积(㎡),值为0.003 282MPa 380 MPa 此绞销轴合格 第四章 推土机液压系统方案设计 4.1 推土机液压系统组成与功能分析 推土机液压系统可划分为变速转向液压系统和工作装置(机具)液压系统两部分,其中变速转向液压系统包括变速液压系统、转向液压系统,由变◇=△▲速器、转向器(转向先导阀)、控制阀以及液压缸组成,工作装置液压系统由各种控制阀和液压缸组成。 推土机在行驶和作业中,需要利用变速转向系统制动,改变运行速度、行驶方向或保持直线行驶,因此变速转向液压系统要完成的工作任务就是改变推土机的速度,控制推土机的左转、右转或直行以及转向制动。 变速转向系统的基本要求是操纵轻便灵活,工作稳定可靠,使用经济耐久。转向性能是保证推土机安全行驶,减轻驾驶人员的劳动强度,提高作业生产率的主要因素。由于推土机在作业中需要频繁地转向,转向系统是否轻便灵活,对生产效率影响很大,而采用液压系统驱动转向机构是实现这一要求的理想途径。操作人员只需用极小的操作力和一般•□▼◁▼的操作速度操纵控制元件,就可以实现快速转向。它使作业时操作的繁重程度大为改善,并进一步提高了生产率,同时也提高了行驶的安全性。 推土机工作装置(机具)液压系统控制着推土机铲斗和松土器的动作,要完成的工作任务就是铲举升、铲倾斜、铲浮动以及松土器举升等动作。在推土机工作过程中,工作装置的工作速度应该是可调的,而且工作速度稳定。 铲斗是推土机的主要工作装置,在推土机工作过程中,通过推土机向前运动的推力进行铲土或碎石,然后对土或碎石等材料进行搬运。铲斗工作装置要完成的动作包括举升、保持、下降、浮动和倾斜。根据推土机的工作要求,中小型推土机,除了铲掘和推运不太硬的土质之外,还往往进行回填和向一侧推土,或者用推土铲的一角在地面开小沟,或者用来平整具有一定坡度的平面。因此推土铲要能够在水平面内回转、在垂直面内倾斜。而大型推土机的作业方式较少、应用范围较窄,主要要求它有强大的铲掘能力和推运能力,这样,装备有固定式立铲即能满足使用要求,但有时也要求推土铲能在垂直面内倾斜,以便利用铲尖作业或适应斜坡作业。大型推土机铲斗的升降高度有时高达2m以上,因此加快铲斗的下降速度对缩短推土机的作业循环时间、提高其生产率有着重要意义。为此,推土机大多在推土铲升降回路•●上是用铲斗快速下降阀,用以实现铲斗举升缸的差动连接,并降低铲斗举升缸的排油(有杆)腔回油阻力,使铲斗快速下降。 中小型推土机发展早,使用时间长,由于其作业对象是中等坚实度的土质,仅用推土铲即可完成铲掘和推运任务,因此推土铲被公认是推土机的传统工作装置。随着经济建设规模的不断扩大,对推土机铲掘能力的要求不断提高,由于不能只用提高牵引力的办法来铲掘路石和硬度很大的土质,因此大、中型推土机配备了松土装置。先将坚硬土质用松土装置松散之后,再用推土铲进一步铲掘和推运,于是松土器成为大中型推土机不可缺少的工作装置。此外,用松土器可代替打眼放炮的施工方法,从而大大降低工程造价。松土装置大多置于推土机后部,与推土铲配合,用于破碎坚硬的土层或岩石层。 松土器使用刀齿切削角可调的四杆机构,利用液压缸使之动作。中间用一个液压缸。起调整裂土刀升降的作用,上部用两个并联液压缸代替杆件以调节松土刀的切削角。此外,松土装置还有铰链式和带液压冲击锤式等。松土器工作装置要完成的动作包括举升、下降。 表4.1 推土机相关参数 工作装置及附件 推土铲 型式 角铲 宽度 3416 mm 高度 1149 mm 最大提升高度 1095 mm 最大下降量 545 mm 传动装置 行走速度 前进Ⅰ档 0-3.6 km/h 前进Ⅱ档 0-6.5 km/h 前进Ⅲ档 0-11.2 km/h 后退Ⅰ档 0-4.3 km/h 后退Ⅱ档 0-7.7 km/h 后退Ⅲ档 0-13.2 km/h 尺寸 型式 角铲/直倾铲 全长 6060/5750 mm 全宽 4365/3725 mm 全高(至排气管顶端) 3395 mm 全高(至驾驶室顶端) 3354 mm 发动机 型号 康明斯 型式 增压水冷直列四冲程 缸数-缸径×行程 6-139.7×152.4 mm 活塞排量 14010 ml 额定功率/额定传速 120 kW/1850 r/min 最大扭矩 780N.m 燃油消耗率 208 g/kW.h 4.2 推土机变速转向液压系统设计 变速转向液压系统设计作为推土机设计的重要组成部分,设计时必须满足工作循环时对速度和方向控制所提出的全部技术要求,且静动态性能好、效率高、结构简单、工作安全可靠、寿命长、经济性好、使用维护方便。 4.2.1 推土机变速转向液压▲=○▼系统原理分析 推土机变速转向系统采用液力机械传动方式、行星齿轮式动力换挡变速器、弹簧压紧油式分离常结合式转向离合器。 ⑴ 液力变矩器工作原理 泵轮组件中的泵轮由螺栓和驱动壳连接,驱动齿轮由螺栓和驱动壳连接。驱动齿轮直接插入发动机飞轮齿圈内,故泵轮随发动机一起旋转。导轮由螺栓和导轮毂连接,导轮毂通过花键和导轮座连接,导轮座又通过螺栓和变矩器壳连接,故导轮和变矩器壳一起,是不旋转的。涡轮和涡轮毂用铆钉铆接在一起,再通过花键和涡轮输出轴连接,涡轮输出轴通过花键和联轴节连接,将动力传递给其后的传动系统。泵轮随发动机一起旋转,将动力输入,导轮不旋转,涡轮旋转,将动力输出,三者之间相互独立,轮间间隙约为2mm。 泵轮、涡轮、导轮自身由许多叶片组成,称之为叶栅,叶片由曲面构成,呈复杂的形状。变矩器在工作时,叶栅中是需要充满油液的,在泵轮高速旋转时,泵轮叶栅中的油液在离心力的作用下沿曲面向外流动,在叶栅出口处射向涡轮叶栅出口,然后沿涡轮叶栅曲面作向心流动,又从涡轮叶栅出口射向导轮叶栅进口,穿过导轮叶栅又流回泵轮。泵轮、涡轮、导轮叶栅组成的圆形空间,称之为循环圆。由于涡轮叶栅曲面形状的设计,决定了涡轮和泵轮在同一方向旋转。这样,变矩器叶栅循环圆中的油液,一方面在循环圆中旋转,一方面又随泵轮和涡轮旋转,从而形成了复杂的螺旋运动,在这种运动中,将能量从泵轮传递给涡轮。 涡轮的负荷是推土机负荷决定的。推土机的负荷由铲刀传递给履带行走系统,再传给终传动、转向离合器、中央传动、变速器和联轴器总成,最终传递给变矩器涡轮。 涡轮负荷小时,其旋转速度就快;负荷大时,旋转速度就慢。当推土机因超载走不动时,涡轮的转速也下降为0,成为涡轮的制动状态。这时,因涡轮停止转动,由泵轮叶栅射来的油液,以最大的冲击穿过涡轮叶栅冲向导轮,在不转的导轮叶栅中转换成压力,该压力反压向涡轮,增大了涡轮的扭矩,该增加的扭矩和涡轮旋转方向一致,此时涡轮输出扭矩最大,为泵轮扭矩的2.54倍。涡轮随着负荷增大,转速逐渐◆●△▼●降低,扭矩逐渐增加,这相当于一个无级变速器在逐渐降速增扭。这种无级变矩的性能与易操纵而挡位较少的行星齿轮式动力换挡变速器相配合,使推土机获得了优异的牵引性能。 液力变矩器是依靠液力工作的。油液在叶栅中流动时,由于冲击、摩擦,会消耗能量,使油发热,故液力变矩器的传动效率是较低的。目前,国内外最好的液力变矩器其最高效率为88%。当变矩器的涡轮因推土机超负荷而停止转动时,由泵轮传来的能量全部转化成热量而消耗掉,此时变矩器效率为0。要想提高变矩器的传动效率,就要掌握推土机的负荷,使涡轮有适当的转速、推土机有适当 的速度;即当推土机因负荷过大而走不动时,要及时减小负荷,提一下铲刀或由II挡换为I挡。 ⑵ 行星齿轮式动力换挡变速器工作原理 推土机变速器采用行星齿轮式动力换挡变速器的结构,该变速器主要由四个行星排、四个固定式离合器和一个旋转闭锁离合器构成。控制机构采用液压系统控制。搬动操纵阀手柄,进入变速箱的液压油止动住其中两个离合器,使变速箱输出轴得到某一个转速及转向,止动不同的两个离合器,即得到不同的转向及转速,共有三个前进档和三个倒档。分别如下: 表4.2 推土机档位分配图 前进一挡 NO.1和NO.5 前进二挡 NO.1和NO.4 前进三挡 NO.1和NO.3 后退一挡 NO.2和NO.5 后退二挡 NO.2和NO.4 后退三挡 NO.2和NO.3 ⑶ 转向离合器和转向制动器工作原理 变速器的动力传入中央传动后,就从纵向传动变为横向传动,由横轴分别传给左、右两个转向离合器。 推土机的转向离合器是弹簧压紧、液压分离、常啮合、温式摩擦片结构型式。它包括外鼓、内鼓、压盘、外摩擦片、内齿处、活塞、螺栓、套筒与活塞连接成一个整体,大、小弹簧支撑在内鼓上,弹簧的安装负荷推动活塞向右移动,带动压板将摩擦片和齿片压紧在一起,实现接合传力。弹簧共8组,总安装负荷3.2T,有足够的压力压紧摩擦片以传递力矩。 当推土机需要转向(如拉动左转向拉杆)时,淮压油充入转向离合器活塞和轮毂之间的油腔,油压力推动活塞,带动压盘向左移动,摩擦片和齿片松开,不再传递力矩,推土机左侧失去动力,在右侧履带的推动下向左转向。转向结束时,松开拉杆,液压油在活塞推动下回流,转向离合器重新接合传力,推土机恢复直线行驶。 推土机转向制动器是液压助力、浮动湿式制动带式。它包括安装在转向离合器外鼓上的制动带、助力活塞、连杆、浮动杆、连杆等零件。由于浮动机构的优越性能,不论离合器外鼓是正转还是反转,制动时都很平稳,不会产生制动冲击。 4.2.2 推土机变速转向液压系统原理图的拟定 通过对推土机变速转向液压系统原理的分析,可将该液压系统划分为两个独立的子液压系统:转向制动液压系统和变速液压系统。 转向制动液压系统原理图 图4.1 转向制动液压系统原理图 1粗滤器 2转向泵 3细滤器 4分流阀 5溢流阀 6、7转向阀 8、9转向离合器液压缸 10安全阀 11油冷却器 12背压阀 13后桥箱 14同步伐 15、16安全阀 17、18制动阀 19、20制动器液压缸 A、B、C、D、E、F油压测试点 转向泵2与分动箱连接,将机械能转化为液压能,使油液自后桥箱13吸出并经粗滤器1和精滤器3过滤而进入分流阀4,由分流阀将液流流量按3:1的比例分配给转向阀和制动回路。转向阀的工作压力由顺序阀5来保证。顺序阀溢出的油进入变速回路后与变速回路的油合流,然后进入变矩器。 在正常情况下,不操纵转向手柄时,由分流阀流至左或右转向阀的压力油被封闭在转向阀内,不向转向离合器供油,此时,转向离合器处于接合状态。在左、右转向阀上都有一小孔,通过此小孔不断向左、右转向离合器补充少量油液,使离合器工作腔内始终充满油液。一旦操纵转向阀,离合器就立即分离,提高了灵敏度。分别操纵阀6或7,可使左或右离合器分离,实现左或右转向;若同时操纵阀6、7,使左右离合器同时分离,则推土机停驶。 制动回路的工作原理与转向回路相同,系统的压力顺序阀挑定。由在正常情况下,不操作制动手柄时,由分流阀流至左或右制动阀的压力油被封闭在制动阀内,不向制动液压缸供油,此时,制动液压缸不工作。当分别操作17或18制动阀时,使左或右制动液压缸进油,实现制动。 ⑵ 变速液压系统原理图 图2.2 推土机变速液压系统原理图 1变速泵 2调压阀 3快回阀 4减压阀 5变速阀 6启动安全阀 7换向阀 8液力变矩器 9溢流阀 10背压阀 来自变速泵的液压油经过滤器一路进人调压阀2,另一路进入快回阀3。当系统压力逐步升高到某一值时,来自快回阀3的控制油经调压阀2的遥控口推动该阀阀心向左移动。此时液压油经溢流阀9向液力变矩器8供油,完成变矩器8的蜗轮输出轴与变速箱输入轴之间的动力输出。当变速阀5在空挡位置时,系统压力油经减压阀4进入第五离合器液压缸,同时进人启动安全阀6,由于节流作用,缓慢推动该阀阀心移动,使阀口通道与主油路接通,这样当变速阀5换上挡时能迅速使压力油进入。如直接换上挡位置,刚启动安全阀6进油油路被截断,使机车不能行驶。当变速阀在一挡位置时,液压油经快回阀3进入减压阀4减压到1.25MPa,再经启动安全阀6、换向阀7,使变速箱的第五、第一离合器(或第二离合器)结合,机车得到前进或后退一挡的速度。;当变速阀5在二、三挡位置时,减压工作原理与上相同。系统压力油分别向第四、第一(或二),第三、第一(或二)离合器供油,以得到不同的前进与后退的速度。 根据上述分析,拟定推土机变速转向液压系统原理图如下: 图4.3 推土机变速转向液压系统原理图 1.12.13.14油滤清器 2变矩器回油泵 3变速泵 4转向泵 5溢流阀 6背压阀 7散热器8分动箱 9变矩器 10润滑油道 11润滑油 15调压阀 16快回阀 17减压阀 18速度阀19.27.28安全阀 20方向阀 21先导阀 22.26分配阀 23顺序阀 24右转向阀 25左转向阀 4.3 推土机工作装置液压系统设计 推土机工作装置包括铲斗和松土器,是推土机整机中的核心部分。工作装置的性能将直接影响着推土机的工作效率。 推土机工作装置的动作分为推土板的垂直倾斜、升降以及松土器的升降运动。对于推土板的垂直倾斜运动,需用有控制推土板倾斜的液压油缸,因其只有倾斜运动,固液压油缸选为单活塞杆双作用液压油缸进行控制;而对于推土板的的升降运动,也可用单活塞双作用液压油缸进行控制。考虑到油缸的受力问题,可在两边个装一个液压油缸,使其受力均匀;同理,松土器的升降运动同样可采用单活塞双作用液压油缸进行控制,以满足要求。 对于铲刀垂直倾斜油缸,当其工作时,即控制阀的中位时,油泵产生的压力油要直回油箱;而当其工作时,操纵控制阀,压力油又能改变方向从而使油缸活塞杆能产生不同的运动方向,即收缩及拉伸运动。要满足上述要求以及考虑到人体手感的舒适敏捷性,选控制阀三位六通手动换向阀进行控制。 同理,松土器的分析也一样,控制阀也选用三位五通手动换向阀进行控制。不同之处在于当松土器松土碰到坚硬障碍物而不能松土时,如果这时没有一个卸油装置,则会使松土器油缸产生很大的压力,从而降低液压油缸的寿命甚至产生爆炸危险。因而还需在与松土器有杆面相连的油路上连接一过载阀进行保护。同时考虑到当松土器在很松的土壤上或者不平的路面上工作时,松土器油缸的活塞会在重力的作用下产生运动,从而使油缸有杆腔产生气泡,这对油缸是相当不利;因而需有一补油装置来防止上述情况产生。在这我们采用一单向阀直接装在油缸与油箱之间,从而避免上述情况。除此之外,由于松土器通常在环境恶劣的情况下工作,油缸内油压变化很大,从而产生很大的震动,这震动会影响到油的正常运行,固还需在油缸与油泵之间连接一单向阀来阻止干涉的产生。 铲刀升降油缸是综合上述两种情况选择控制阀的。其不同在于铲刀有四个工作位:举升、保持、下降以及浮动。因此其需选用四位六通手动换向阀。单向阀的选择与松土器的选择一样。 上述三种油缸还需满足他们产生的运动不能同时产生,否则就会产生干涉。 下文将通过对工作装置各种工况的分析,总结出工作装置的各种工作要求,进而设计出整个工作装置的液压系统 4.3.1 推土机工作装置液压系统原理分析 推土机的工作装置主要包括铲斗和松土器,它们的作用及对系统的要求分析如下: ⑴ 铲斗 铲斗指推土机正前方的推土挡板,有直倾齿和角齿之分。铲斗的工作任务是包括通过推土机向前运动的推力进行铲土或碎石、对土或碎石等材料进行搬运以及利用推土铲的一角在地面开小沟或用来平整具有一定坡度的平面。 通过推土铲斗作用的分析可知,铲斗的主要动作包括铲斗的升降、铲斗的倾斜以及铲斗的浮动,因此可分别设计两条液压回路和液压缸,通过回路控制液压缸的动作来实线铲斗的升降和铲斗的倾斜。 ⑵ 松土器 松土器指推土机正后方齿形装置,使用刀齿切削角可调的四杆机构,利用外力驱动使之动作,主要的工作任务是碎石或松土。其主要动作包括松土器的上升和松土器的下降。因此可利用单条液压回路控制液压缸来实线其功能。 通过上述分析,推土机工作装置液压系统可划分为三条相对独立的液压回路:松土器工作回路、铲斗升降工作回路、铲斗倾斜工作回路,利用回路控制液压缸的动作来实现系统所需的各项功能。回路框架图如下: 图4.4 推土机工作装置液压系统框架图 4.3.2 推土机工作装置液压系统原理图的拟定 通过上文对工作装置工况的分析,结合工作装置液压系统框架图,初步拟定工作装置液压系统原理图如下: 图4.5 推土机工作装置液压系统原理图 1-推土铲提升缸; 2-推土铲倾斜缸; 3-快回阀; 4-工作泵; 5-转向泵;6-滤网; 7-滤油器; 8-粗滤器; 9-过载阀; 10、11-补油阀;12-松土器阀; 13-铲刀倾斜阀; 14-铲刀提升阀; 15、16-补油阀; 17-安全阀; 18-滤油器; 19-松土器伺服阀; 20-倾斜缸伺服阀; 21-推土铲伺服阀;23-松土器油缸 24、26-进口单向阀; 25-进口单向流量阀; 27-后桥箱;28-工作油箱; 29-粗滤器 液压系统工作原理如上图所示,执行元件包括铲斗升降液压缸1、铲斗倾斜油缸2和松土器油缸8。为了提高铲斗的下降速度,缩短其作业时间,在铲斗升降回路上装有快降阀3,用以降低铲斗升降液压缸的排油腔的回油阻力。铲斗在快速下降过程中, 回油背压增大,快降阀3在液控压差的作用下将自动开启,有杆腔的回油即通过快降阀3直接向铲刀升降油缸2进油腔补充供油, 从而加快了铲斗的下降速度。 多路换向阀12、13、14分别控制松土器油缸、铲斗倾斜油缸、铲斗升降油缸的动作,它们为整体式三联滑阀,属于串联连接, 这样工作装置既可单独动作,又可实现复合动作。三联阀分别由 3个回转伺服阀 19、20、21控制,它们不受液压油直接作用,而是通过连杆机构推动阀芯移动, 连杆由伺服液压缸带动。阀 12是三位五通换向阀, 阀 13是三位六通换向阀,阀 14是四位六通换向阀,它能使铲刀根据作业情况具有上升、固定、下降、浮动 4个位置。浮动位置是使铲刀液压缸两腔与进油路、回油路均相通,铲刀自由支地, 随地形高低而浮动。这对仿形推土和铲刀例行平整地面作业是很需要的。溢流阀 17用来限制油泵 4的出口最大压力, 以防液压系统过载, 当油压超压时,溢流阀 17打开,压力油自动卸载回油箱。一般选择溢流阀的开启压力为系统压力的110 %左右。 当铲刀或松土器下降时, 在铲刀和松土齿自重作用下,下降速度加快, 可能引起供油不足形成油缸进油腔局部真空, 发生气蚀现象。此时,由于进油腔压力下降,在压力差作用下,补油阀 10、11打开,从油箱补油至油缸进油腔,使油缸动作平稳。当松土齿于固定位置作业时,由于突然的过载,油缸一腔油压突然骤增, 造成油缸过载。装设了过载阀 9后,当达到过载阀 9开启压力时, 过载阀 9打开, 油液卸载,从而避免液压元件的意外损坏。过载阀的开启压力一般大于系统压力 15 % ~ 25 %。 溢流阀和滤油器并联,当油中杂质堵塞滤油器时,回油压力增高,溢流阀被打开, 油液直接通过溢流阀流回油箱。粗滤油器和精滤油器都是为了保持油液的清洁,滤去杂质使液压系统正常作业。一般粗滤油器安置在油泵吸油管上,以减小吸油阻力。精滤油器安置在回油管上,使滤油器不受高压作用。液压油箱 6起储油、散热作用。油箱容积主要考虑到油液的散热,一般取为 2~ 4倍液压泵额定流量。 4.4 推土机整机液压系统原理图 经上文分析,初定推土机液压系统原理图如图4.6所示。 图4.6 推土机液压系统图 1、12、14油滤清器 2变矩器回油泵 3变速泵 4转向泵 5工作泵 6背压阀 7散热器 8分动箱 9变矩器 10润滑油道 11润滑油 13、40溢流阀 15调压阀 16快回阀17减压阀 18速度阀 19安全阀 20、21方向阀 22、26分配阀 23顺序阀 24右转向阀25左转向阀 27、28安全阀 29制动油缸 30推土铲提升油缸 31快回阀 32推土铲倾斜油缸 33过载阀 34补油阀 35松土器阀 36铲刀倾斜阀 37铲刀提升阀 38补油阀 39安全阀 41松土器伺服阀 42倾斜缸伺服阀 43铲刀伺服阀 44松土油缸45进口单向阀 46进口单向流量阀 总结 经过这三个月的集中努力,毕业设计已经接近尾声,至此我已经完成了所有的设计任务。在我做设计期间,主要经历了实习,可行性分析,计算和绘图等几个阶段。 由于设计的内容是第一次接触,所以开始着手时候不是很顺利,整个设计过程中有很多反复计算,如设计推土机工作装置的工作部分确定各个铰接点位置的过程中走了一些弯路。到目前为止对设计不是非常满意,我所学知识有限没能弄懂某些知识点,在设计过程中,很多新的东西都是边翻资料边作设计,对有些知识掌握的不透,还需要在以后的工作学习过程中多实践学习。同时在设计过程中有粗心大意的时候,造成了一些影响,望老师谅解。 设计过程中,我得到老师的细心指导,使我所遇到的困难得到了即时的解决。另外,也感谢老师的督促指导,在此向所有的指导老师表示感谢! 参考文献 [1] 乔晓军,浅析国内推土机产业的发展趋势.机械管理开发.2011.8 [2] 孙 恒,陈作模,葛文杰,机械原理[M].第7版.西安: 西北工业大学出版社,2008 [3] 贾意 朱江TY220推土机不转向故障的排除 工程机械2009.4 [4] 任凤国,TY220型推土机工作装置液压系统的薄弱环节分析,煤矿机械,2009.3 [5] 晁智强,《装甲车辆液压传动》,2005 [6] 左健民主编.液压与气压传动(2版).北京:机械工业出版社.1999.5 [7] 官忠范主编.《液压传动系统》.机械工业出版社.1997 [8] 李福义.《液压技术与液压伺服系统》.哈尔滨船舶工程学院出版社.1992.12 [9] 何存兴.《液压元件》.机械工业出版社.1982年 [10] 《液压传动设计手册》.上海煤矿机械研究所编.上海人民出版社1976年 [11] 周大力.工程机械结构现代强度设计方法的研究.工程机械,1995,10 [12] 雷天觉.新编液压工程手册.北京:理工大学出版社.1998 [13] 徐灏.机械设计手册(第4卷).北京:机械工业出版社.1992.1 [14] 张茂生.工程机械设计[M].武汉:武汉大学出版社,2006.4:61-70. 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