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1、济南大学毕业设计第一章 课题介绍与分析1.1推土机简介1.1.1 推土机的概念推土机是由拖拉机驱动的机器, 依靠机身前端装置的推土板进行推土、铲土的施工机械。有一宽而钝的水平推铲用以清除土地、道路构筑物或类似的工作。在土方施工机械中占有十分重要的地位，主要用于50100 m的短距离施工作业。主要用于开挖路堑，构筑路堤，回填基坑，清除积雪，平整场地等，也可以完成短距离松散物料的铲运和堆积作业。按照行走方式分类：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，
2、但牵引力小，适用于需经常变换工地和野外工作的情况。图1.1 履带式推土机图1.2 轮式推土机1.1.2国内外推土机发展历史及现状在国际上，卡特彼勒公司是世界上最大的工程机械制造公司；日本的小松公司列第二位；另外一家独具特色的推土机制造企业是德国的利勃海尔集团，其推土机全部采用静液压驱动，该技术历经十几年的研究与发展。上述三家推土机制造企业，代表了当今世界上履带式推土机的最高水平。国外其他几家推土机制造企业约翰迪尔、凯斯、纽荷兰和德瑞斯塔，其生产技术水平也较高。从20世纪60年代至今，国内推土机行业的生产企业一直稳定在4家左右，原因是推土机产品的加工要求高、难度大，批量生产需要较大的投入，因此一
3、般企业不敢轻易涉足。但是随着市场的发展，从“八五”开始，国内一些大中型企业根据自身实力，开始兼营推土机，如内蒙古第一机械厂、徐州装载机厂等，扩充了推土机行业队伍。与此同时，也有少数企业由于经营不善、不适应市场发展的需要开始走下坡路，有的已经退出本行业。目前国内推土机的生产企业主要有：山推工程机械股份有限公司、河北宣化工程机械股份有限公司、上海彭浦机器厂有限公司、天津建筑机械厂、陕西新黄工机械有限责任公司、一拖工程机械有限公司等。我国推土机的发展是很迅速的，已经形成了种类齐全，功能完全的推土机系列，有一些品牌的推土机机械已经拥有世界先进技术。但我国的国内工程机械还有很大的发展空间，在工程机械的核
4、心技术上我们还跟世界水平有很大的差距。1.1.3推土机的分类（1） 按推土机发动机功率的大小可分为小型推土机(37kW以下)、中型推土机(37250kW)和大型推土机(250kW以上)三类。（2）按走行方式，推土机可分为履带式和轮胎式两种。（3）按传动方式可分有机械式、液力机械式、全液压式和电气传动式四种。（4）按作业环境可分为地面普通式、两栖式和水下式。（5）按推土板安装方式分为固定式和回转式两种。1.2 虚拟样机技术的简介1.2.1虚拟样机技术的概念虚拟样机技术是一门综合多学科的技术，它是在制造第一台物理样机之前，以机械系统运动学、多体动力学、有限元分析和控制理论为核心，运用成熟的计算机图
5、形技术，将产品各零部件的设计和分析集成在一起，建立机械系统的数字模型，从而为产品的设计、研究、优化提供基于计算机虚拟现实的研究平台。因此虚拟样机亦被称为数字化功能样机。1.2.2虚拟样机技术在工程机械领域的应用为了提高市场竞争力，各企业必须不断缩短新产品的研发周期，提高产品质量、性能，降低开发成本。在这种需求下，以虚拟现实技术为代表的计算机技术不断发展，使虚拟设计逐步成为工程领域一种新的现代化设计手段。运用虚拟设计的方法，可以在产品设计初期，设计、分析和评估产品的性能，确定和优化物理样机参数，从而降低新产品的开发风险，缩短开发周期，提高产品性能。产品的设计流程包含结构设计、结构有限元分析、系统
6、运动学与动力学分析、控制系统设计、虚拟样机作业过程模拟、系统稳定性与安全性评价、系统故障预测及冗余设计等。该设计过程在设计初期就充分考虑结构系统与控制系统的相互耦合作用，并进行产品作业全过程的计算机模拟，预测产品的性能、寿命及可靠性，从而缩短了开发周期，降低产品开发成本和开发风险。1.2.3虚拟样机技术在工程机械领域的发展前景 虚拟样机技术的发展，使产品设计可摆脱对物理样机的依赖，体现了一种全新的研发模式，它在工程领域的迅速发展，必将给企业带来重大的影响。 （1）高效的研发手段促使产品的更新换代加快，产品开发风险降低，企业的生产效率将大大提高。“最快者生存”将成为企业市场竞争的法则。 （2）虚
7、拟产品的销售。虚拟样机技术和柔性制造技术已经使虚拟产品销售成为可能，即企业先通过虚拟样机找到客户，再组织生产。因此企业在产品制造和市场竞争方面更具灵活性。 （3）企业间的动态联盟。产品的数字化使企业能够通过Internet进行产品信息的快速交流，克服单个企业资源的局限性，将具有开发某种新产品所需的知识和技术的不同组织或企业组成一个临时的企业联盟，即企业间的动态联盟，以适应瞬息万变的市场需求和激烈竞争。 （4）对技术人员提出更高要求。基于虚拟样机技术的并行工程是一门综合多学科的技术，是对产品相关过程进行并行、一体化设计的一种系统技术。它组织多学科的产品开发小组协同工作，因此各子系统设计员必须了解
8、虚拟样机技术相关专业的知识，专业分析员也必将转变为产品设计者。协同工作能力将成为企业技术人员最重要的素质。 可以预见,在21世纪虚拟样机技术必将成为工程机械领域产品研发的主流。国内各企业应加强对它的应用研究，使产品更具市场竞争力，迎接全球经济一体化的挑战。1.3 本章小结本章主要讨论了推土机的发展现状，介绍了推土机的概念，种类，为课题的研究实现提供了依据。另外，介绍了虚拟样机技术，其产生的背景，发展状况以及发展趋势，介绍了虚拟样机技术应用的领域和实现过程，指出了课题研究的背景和实际意义，确定论文完成的主要任务。第二章 推土机各部件的三维实体设计2.1 工作装置的设计建模推土机工作装置主要有前面
9、的推土板，刀片，顶推梁，斜撑杆和提升油缸的部分组成。按工作装置不同可分为直铲式和回转式：直铲式：推土板和顶推梁、斜撑杆等组成一刚性构架，铰接在推土机台架上。推土板能绕铰点上下活动，利用斜撑杆可适当调整刀片的切削角。回转式：铲刀可在水平面内回转一定的角度（025），实现斜铲作业；如果在垂直平面内倾斜一个角度（一般为09），则可实现侧铲作业。回转式推土机还可改装为除荆机和除根机等施工机械，作业范围较广，因而大、中型推土机都采用回转式铲刀。通常，向前推挖土石方、平整场地或堆积松散物料，广泛采用直铲作业。傍山铲土或单侧弃土，常采用斜铲作业。在斜坡上铲削硬土或挖边沟，可采用侧铲作业。推土板的主要参数包括
10、尺寸参数，指推土板高度H、宽度B；形状参数，即推土板曲率半径R、中心角、翻倒角、切削角、回转角，以及切削刀片的尖角、后角、刀片长度B。初选推土板高度H=1000mm，宽度B=3100mm。推土板平均切削深度0.2m。铲斗容量：代入数据：2.1.1推土机的牵引阻力：以推土机在水平地面等速行驶，推土铲以最大切削深度作业，当切土结束时提升推土铲的瞬时所产生的最大作业阻力作为计算工况。切线切削阻力：设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: (N) B为推土板的宽度（m），为推土板平均切削深度（m），为切削比阻力（MPa）查表知=0.03代入数据得：=18600N 铲刀
11、前积土的推移阻力: (N)式中，为土与土之间的摩擦系数， 为推土铲前积土重量，可由以下式子计算：，式中，为土的重度（），H为推土板的高度，为土壤的自然坡度角。查表得知：=20000，=30，=0.8代入数据：=34364 N 刀刃与土壤摩擦阻力的计算式为： = （N）式中，为推土板切削刃磨损后，切削刃压入土的比阻力（MPa），x为切削刃磨损后的接地长度（m），近似取0.0070.01m,为土壤与钢铁的摩擦系数。查表得知：=0.35，=0.25，x=0.01m代入数据得：=2712 N 土屑沿铲刀上升时的摩擦阻力的水平分力 （N）式中，为推土铲的切削角，=30代入数据得：=7517 N 综合得知
12、：F=63.193 KN2.1.2发动机的选择设推土机工作时的速度v=3km/h牵引功率P=Fv代入数据P=52.6 KW选取发动机 功率67KW的柴油机，最大转速1050r/min,最大扭矩750Nm2.1.3推土板横截面形状设计9090HRN为推土机的功率。N=67kw刀刃的尖角建议采用。算得：800 mm设定翻倒角=40则中心角=180-算得 =110则半径R488 mm选取板厚度为20mm，采用拉伸方法建立铲斗基本体。新建基准面，做出耳的草图，然后采用拉伸切除等方法以完成耳的生成。建立肋板的草图，生成实体，采用阵列的方法，生成一系列肋板。铲斗两边的挡板厚度为25mm，通过复制来完成。
13、图2.1.1铲斗实体设计图2.1.4 动臂的设计动臂在推土机的作用是控制推土板与地面的角度变化以及协助两侧支撑臂来实现推土板的提升与下降，动臂在推土机工作中起着举足轻重的作用。设计动臂高度1300mm，设计用厚度为50mm的钢板。采用拉伸切除等方法完成基体的设计，然后焊接上耳板，打好销孔。设计销孔直径80mm，两耳间距100mm，耳的厚度50mm。耳与基体相接处，采用圆角工艺，使两者平滑相接。 图2.1.2 动臂设计效果图 2.1.5 两边支撑臂设计支撑臂主要起支撑作用，负责提升推土板，是工作装置的主要部件。支撑臂的设计要满足铲斗的提升要求，采用厚度为40mm的钢板，应用拉伸切除等方法，完成基
14、体的设计，基体的设计要在使用的基础上将造型美观化，采用圆弧以及切线完成框架的草图绘制支撑臂上下销孔距离1600mm，在距离上销孔540mm处做一个耳板，用于与液压元件连接，以实现支撑臂的上下运动。实现销孔直径80mm。两条支撑臂之间加上筋板，绘制草图宽度为30mm，长度为250mm，通过拉伸实现与两个支撑臂连接。图2.1.3 支撑臂的三维设计2.2 推土机底盘驱动桥设计2.2.1轮胎设计有驱动力63 KN，查表，选取：轮胎为宽基轮胎，尺寸型号为：17.5-25，负荷6150 Kg ；允许气压350Kp轮胎尺寸型号的单位为英寸，转化得：胎宽 444.5mm ，轮毂直径635mm，查表得，最大外直径为1350mm 。选取外直径1150mm 。 图2.2.1 轮胎实体设计图2.2.2推土机车桥的三维实体设计车桥通过悬架和车架（或者直接和车架）相连，车轮安装在车桥的两端。车桥与车架相连以支撑机体的重量，并将车轮上的牵引力和制动力等传递给车架。轮式驱动桥主要由主传动器、转向离合
