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1、第十一章推土机与铲运机第一节推土机概述推土机是在工业用拖拉机前端装推土装置而成。拖拉机多用履带式行走装置，取其附着牵引力大；亦有轮胎式行走装置的，取其速度较高与可在公路上运行。履带式推土机一般可在其后端加装不同的松土装置。目前世界上最大的推土机功率为600kW左右，我国批量生产的最大的推土机由上海彭浦机器厂制造，功率为240kW。图11-1为该推土机总图。常规的履带式推土机就是这样的总体结构。现代的轮胎式推土机多为铰接式，如图11-2所示。这种铰接车身式机械除有轮胎式推土机的优点外，转弯半径是其最重要特点，作业时更加机动灵活。因此，在轮胎式推土机、装载机、铲运机，甚至平地机、压路机中广泛代替了
2、整体车身、偏转车轮式转向。70年代后期，美国卡特彼勒（Caterpillar）公司首创了一种三角形履带、高架驱动链轮式履带式推土机，如图11-3所示。迄今为止，此机从D4（67kW）至D11（575kW）已形成完整系列。其特色在于1、部件组合式设计：可成组更换作业时损坏的部件，从而缩短停机修理的时间，减少修理费用，可在装上预先修好并经试运的部件以保证推土机作业的同时，修理换下来的待修部件。2、高置式终传动与驱动链轮：使其仅传递力矩产生履带驱动力，不受地面石块与崎岖不平引起的附加力与冲击力的作用；也使其与履带架分离，专起传递力矩到履带的作用，改善履带架的浮动性；再者，也使其少受工地灰尘与污泥的影
3、响而影响寿命；也增大整机离地间隙而改善通过性能。3、车架与履带台车架的专用心轴，加销式平衡梁联结：车架经两点装在心轴上，第三点经纵向中心销装在平衡梁上，形成三点支承；二履带台车架可绕心轴分别自由摆动，而平衡梁端又经销轴装在履带台车架前端。这种结构使履带驱动轴与承重心轴分别设置，各司其责；并使原传统的八字架结构废弃不用；从而大大改善了推土机下部结构部件的受力状态。4、推土机斜撑杆代之以横向稳定器：从而使推土铲紧靠机体，而推土铲升降油缸垂直布置。从而使油缸有效分力大增，整机长度缩短，机动性、平衡性改善。5、隔离、高置的司机室：使振动与噪音减小，视野改善。加上液力分流器与弹性悬架等的采用，使这种推土
4、机有其新意。表11-1为几种推土机的主要技术参数。推土机类型：1.行走方式：履带式、轮式2.工作装置：直铲式、角（斜）铲式3.操纵方式：液压式、机械式推土机产品标注方法：TY180、TY320、T120第二节推土工作装置推土机的工作装置由推土板、顶推梁、撑杆和操纵机构等主要零部件组成。一、推土板的合理形状与主要参数的选择对不同形状推土板的横断面加以研究后可以看出，当前多采用大曲率半径圆弧型推土板。如11-4（a）所示，由于切削角大，工作时消耗的切削功率大，切下土壤不能形成土屑，土壤受挤压沿推土板面上升，故这种形式只能推疏松的松土。如将大曲率半径圆弧型推土板切削角减小，如图11-4（b）所示，则
5、由于推土板后倾，改善了切削条件，切下的土壤易于形成土屑并沿着推土板面流动。但是，土屑沿板面会流向推土板后面，卸土时有部分土壤留在推土板上，增加了起升功率；若将大曲率半径圆弧型的推土板下面连接刀片，如图11-4（c）所示，则由于推土板的切削角小，形成了良好的切削条件，被切下的土壤容易形成土屑，也便于卸土。但是，在土屑流动过程中，土壤仍受到挤压，因而增加了能量的消耗。小曲率半径圆弧型推土板，如图11-4（d）所示。由于切削角小，被切下的土容易形成土屑并沿着推土板面流动，而且，当土屑离开推土板上缘时，仍能向前翻滚，使土堆移动。但是，它卸土困难，一般应用在推土量小，推土板高度小的场合。合理的推土板横截
6、面是变曲率半径的截面，即上部曲率半径较小，下部曲率半径较大并安装平刀片形成合适的切削角。这种推土板具有足够的高度和良好的切削条件，刀刃所切下的土壤形成土屑，并能沿板面滚动、翻滚，工作时消耗能量比较小，如图11-5（a）所示。推土板形状不合理，则在推土板曲面部分将残存部分土壤，切下土壤不能沿推土板曲面流动，而是在土中自下而上的膨胀，消耗在土壤内摩擦的能量就大为增加，如图11-5（b）所示。试验表明，在同样的土壤条件、相等的切削厚度的情况下，由于推土板形状的差别，可能使推土机的牵引阻力相差8%。推土板的主要参数包括尺寸参数，指推土板高度、宽度和形状参数，即推土板曲率半径、中心角、翻倒角、切角、回转
7、角以及切削刀片的尖角、后角、刀片长度目前可调整角度的推土板一般采用曲率半径不变的圆柱面，如图11-4（f）所示。其推土板高度确定如下式中角铲推土板高度，它与推土机功率有关，可按下式计算：（）式中发动机的功率（kW）；推土板的曲率半径（）；推土板横截面圆弧中心角，其值为：其中推土板上缘切线方向与水平线间夹角（翻倒角），90，切削角，一般采用4560。整理上式则得（11-2）推土板宽度（11-3）式中拖拉机（或牵引车）与顶推梁的宽度（m）；a每边超出拖拉机（或牵引车）与顶推梁的尺寸，=0.080.15(m)；推土板最大回转角，=2530。直式推土板横截面，一般由以为曲率半径的圆弧和上段是直线、下段
8、是平刀片组成。根据图11-4（e）推土板高度采用下式计算式中直铲推土板总高度（）；圆弧型中段高度（），其值为：其中刀片的垂直高度，其值为：刀片宽度（）；上段直线高度，其值为；其中上段直线长度（），其值为；推土板宽度(11-5)另外刀刃的尖角建议采用=30。推土板侧铲倾斜角，在液压调整式工作装置中采用612，人工调整式中为5。实践中，由于推土机是通用的土方工程机械，可用以推土、堆料、供料于料斗、横向移土、助铲、垃圾场清理、切树与清除灌木等。所以，适应不同用途有多种不同形状的推土板。二、推土机的牵引计算推土机牵引力和牵引功率的确定，应取推土板前堆满土壤的瞬时作为计算位置。此时牵引力将克服滚动阻力P
9、f、坡道阻力Pa、还需要克服土壤切削阻力Pq、推土板前堆积土壤的移动阻力Py及土壤沿推土板面上升的摩擦阻力Pm(水平分量）。直铲式推土机可计算如下推土板切削土壤的切削阻力Pq（N）（11-6）式中土壤切削比阻力（N2）；切削宽度或刀片长度（）；切削深度（）。推土板前堆积土壤的移动阻力Py（N）（11-7）式中土壤与土壤的摩擦系数；堆积土堆重量。以土壤堆满推土板时，假设堆积土堆上部为一直线并且土堆沿推土板的断面不变，则土堆重量可按图11-7作近似计算（11-8）式中土壤的容重（松散状态）；土壤的自然坡度角。土壤沿推土板上升的摩擦阻力Pm（11-9）式中土壤对金属的摩擦系数；推土板的切削角。综上所
10、述，推土机工作过程中的总阻力（11-10）则拖拉机（或牵引车）的切线牵引力拖拉机（或牵引车）的牵引功率为（kW）(11-11)式中拖拉机（或牵引车）理论行驶速度（kmh）；机械的传动效率。三、推土装置受力分析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算条件；其次，确定作用在推土机上的外载荷及作用在装置各构件上的力，最后对工作装置的零部件进行强度计算。（一）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，从强度观点可选择如下几个计算位置。1、推土机正常作业时推土板中点碰到障碍物。计算条件是推土机沿推土机水平表面运动；推土板由切削位置起升到运输位置；在推土板
11、起升的同时，推土机以最大的顶推力移动，考虑惯性载荷。在这个位置对推土板、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板边上一点碰到障碍物。计算条件与1相同。此时，对固定式推土板的顶推梁、斜撑杆和铰链；对回转式推土板的顶推杆、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。（二）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、油缸力S以及土壤反力P，如图11-8所示。下面分别讨论。1、切削力P作用在切削刃上的力有沿垂直方向
12、的土壤反力和水平反力。则（11-12）（11-13）式中K土壤承载能力系数，中等条件土壤取=5060（N2）B推土板宽度或刀片长度（）；X考虑磨损后刀片沿土壤摩擦的宽度，如图11-9所示，X=0.71.0(cm)刀片与土壤的摩擦系数，考虑到土壤表面不平和切土不平处土时刀片前棱工作的可能性，取=1。2、土壤反力P假定土壤对推土板表面的匀布载荷集中作用到推土板刀刃中点上。当推土机作业时，作用到推土板上的外载荷有土壤对磨钝了的刀刃反力R1、R2；土壤对推土板的作用力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，可求出的P分力P1、P2，如图11-10（a）、（b）所示。式中土壤
13、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3、铰处反力铰处反力可分为和，如图11-8所示。当推土机在水平地面上运动，起升机构在中间位置时，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（11-14）式中考虑动力特性时的顶推力；动力性系数=1.5；拖拉机（或牵引车）最大牵引力，其值为：其中提起推土板时推土机总重，附着系数，=0.80.9，放下推土板时，拖拉机（或牵引车）重量。当当推土机抬起推土板时由工作装置平衡方程式可得（11-15）（11-16）式中液压缸倾斜角；l刀刃与C点间的水平距离；L0工作装置重心与C点间的水平距离；mC点的高度；S液压缸拉力。4
14、、起升机构的力S液压操纵的推土机，推土板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板强制切土和从土中拔出推土板两种工作状态。推土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11-11所示。取式中G工作装置重量。整理上式则油缸的推力（11-17）（2）油缸拉力的确定推土机切削终了，推土板由切削位置变为运输位置，工作装置提升时，起升力即油缸拉力，由图1-12可求出：式中被抬起土壤的重量，其值为：其中推土板内土壤面积，图11-12画阴影部分，被抬土壤与留下土壤间的滑移阻力，其值
15、为：（N）其中滑移面积（假定滑移沿着通过刀尖的垂直平面进行），=BH（2），滑移时土壤粘结力（N2），作用于工作装置上土壤水平分力之和，取=T。整理上式则油缸所具备的拉力（11-18）油缸拉力的最大值受整机稳定条件限制，此时拖拉机会绕A点倾翻，如图11-13所示。取（11-19）式中由稳定条件确定的油缸最大拉力。（11-20）（11-21）将式（11-19）、（11-20）、（11-21）联立求得。油缸拉力应满足。上面确定的油缸推力和油缸拉力是设计液压系统的原始参数，也是对推土机作强度验算的数值。（三）工作装置各构件的受力计算工作装置各构件的受力计算就是根据上述的计算位置和外载荷，用解析法或图
16、解法求出工作装置各构件上的力，以便进行构件的强度计算。第三节松土工作装置松土装置是当今推土机的主要组成部分，置于其后部。用得多的是刀齿切削角可调的四杆机构式，用液压缸使之升降，如图11-14所示。中间用一个液压缸起升降松土刀齿的作用，上部用两个并联液压缸代替杆件以调节切削角。刀齿有单齿式，多用于重型推土机；有三齿式，根据工作情况与土壤岩石的不同，也可卸下中间刀齿，则为二齿式。小型工程机械如装以松土装置，多用铰链式，因其结构简单及液压系统简单，从而故障少，如图11-15所示。重型推土机的松土装置，为了提高破碎岩的效果，有时设计成带有液压冲击锤的，如图11-16所示，仅限于巨型单齿式。巨型单齿式松土装置，除了大面积松土外，还可以完成多种不同的作业要求，如图11-17所示。在设有顶块时，还可用助铲机加力。松土作业的方法，对于提
