工程机械理论与设计：工作装置受力分析及强度计算

工作装置的强度计算，首先要选择推土机的计算位置拟定计其条件；其次，确定作用在推土机上的外载荷及作用在工作装置各构件上的力，最后对工作装置的零部件进行强度计算。

1.计算位置的选择

分析推土机强制切土、切削土壤、提升、运移、卸土、空回等作业过程，从强度观点可以分为以下几个位置。

（1）推土机正常作业时推土铲中点顶到障碍物，计算条件：

① 推土机在水平地面作业。

② 带土的推土板从切削位置提升到运土位置。

③ 推土机以最大的顶推力移动，考虑惯性载荷。

在这个位置对推土铲、支架和液压系统的零部件进行强度计算。

（2）推土机正常作业时推土铲边上一点顶到障碍物，计算条件与（1）相同。

此时，对固定式推土铲的顶推梁、斜撑杆和铰链进行强度计算；对回转式推土铲的顶推杆、支架和铰链进行强度计算。

（3）在液压操纵的推土机强制切土时，计算条件除与（1）相同外，还要考虑切削深度等于零，油缸推力参加切土等条件。以此作为确定液压操纵系统和对推土机进行强度计算的依据。

2.外载荷的确定

推土机工作过程中作用在工作装置上的外载荷有重力G、铰C 处外力 PC 、油缸力S 以及土壤反力R，如图7.17 所示。下面分别讨论。

（1）重力Gg。作用在推土铲上的力有沿垂直方向的土壤反力 R2和水平反力 R1。则

式中　k′——土壤承载能力系数，中等条件土壤取50～60，N/cm2；

　　　B——推土铲宽度或刀片长度，cm；

　　　X——考虑磨损后刀片沿土壤摩擦的宽度，如图7.18 所示，X=0.7~1.0 cm ；

　　　μ1——刀片与土壤的摩擦系数，考虑到土壤表面不平和切不平处土时刀片前棱工作的可能性，取 μ1=1。

图7.17　工作装置受力简图

1—推土铲；2—顶推架；3—斜撑杆；4—液压油缸。

图7.18　刀刃与地面接触情况

（2）铰C 处反力 PC。铰C 处反力PC 可分为XC和 ZC，如图 7.17 所示。当推土机在水平地面上运动，起升机构在中间位置时，XC力等于拖拉机（或牵引车）的顶推力。考虑外载荷作用的动力特性，顶推力计算如下：

式中　Tg——考虑动力特性时的顶推力；

　　　kg——动力特性系数 kg=1.5；

　　　T——拖拉机（或牵引车）的最大牵引力，其值为

式中　G2——提起推土铲时推土机总重；

　　　ϕ——附着系数，ϕ=0.8~0.9；

　　　GT——放下推土铲时，拖拉机（或牵引车）重量。

当推土机提起推土铲时由工作装置平衡方程式可得

式中　θ——液压缸倾斜角；

　　　l——刀刃与C 点间的水平中距离；(www.xing528.com)

　　　lg——工作装置重心与C 点间的水平距离；

　　　m——C 点的高度；

　　　S——液压缸拉力。

　　　r0——S 力方向与刀刃接地点距离。

（3）土壤反力P。假定土壤对推土铲表面的匀布载荷集中作用到推土铲刀刃中点上。当推土机作业时，作用到推土铲上的外载荷有土壤对磨钝了的刀刃反力 R1 、R2；土壤对推土铲的作用力NC（分为正压力 RC 、摩擦力 FC ）。将以上各力在相应的坐标轴上投影，可求出P 的分力 P1 、 P2，如图7-19（a）、（b）所示。

式中　ϕ1——土壤对钢的摩擦角。

力 P1 的最大值取决于拖拉机的牵引可能性，即

图7.19　土壤对刀片作用力

（4）起升机构的力S。液压操纵的推土机，推土铲的动作靠双作用液压油缸来完成，因此油缸力必须综合考虑推土铲强制切土和从土中拔出推土板两种工作状态。推上板升降油缸的力取决于推土机的工作状态和推土机的整机稳定性。

① 油缸推力（St）的确定。推土机在水平地面进行强制切土时，油缸所具备的推力由工作装置平衡条件求出，如图7.20 所示。

取∑MC=0

式中　Gg——工作装置的重量。

整理式（7.13），则油缸的推力为

图7.20　推土铲强制切土时

② 油缸拉力（Sl）的确定。推土机切削终止，推土铲由切削位置变为运输位置，工作位置提升时，提升力即为油缸拉力，由图7.21 可求出：

取∑MC=0

式中　Gt——被抬起土壤的重量，其值为

式中　Ft——推土铲内土壤面积，图7.21 画阴影的部分；

　　　Q——被抬土壤与留下土壤间的滑移阻力，其值为

式中　F——滑移面积（假定滑移沿着通过刀尖的垂直平面进行），cm2；

　　　C——滑移时土壤的黏结力，N/cm2；

　　　R1——作用于工作装置上土壤水平分力之和，取 R1=T。

整理上式则油缸所具备的拉力

图7.21　推土铲起升受力