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1、第一章 TY160型推土机U型架概述 第二章 TY160型推土机相关数 据及载 荷计算 第三章第三章 TY160型推土机型推土机U型架型架 有限元分析有限元分析第一章 TY160型推土机U型架概述 推土机是浅挖及短距离运土的铲土运输机械，用途较广。它以履带式或轮胎式拖拉机、牵引车等为主机，并配以悬式铲刀，其铲刀也称为推土机的工作装置，包括推土板、顶推架、铲刀升降机构等。按推土板安装位置不同，推土机可分为固定式铲刀推土机和回转式铲刀推土机两类。其中回转式铲刀用途较为广泛，可以在推土机直线行驶时，进行侧向卸土。它适用于平地作业，也用于斜坡横向作业，对于回填沟槽之类的作业，其效率之高，尤为显著，并且
2、回转式推土机也容易改装为其他工程机械。由于作业对象不定、作业条件恶劣、载荷变化较大、作业工序反复循环以及操作频繁，致使推土机的工作装置工作条件十分恶劣。尤其是回转式推土机铲刀的U型架，当铲刀呈正铲形式时要承受弯曲及拉压组合作用，当铲刀呈斜铲形式时要承受弯曲、拉压及扭转组合作用。铲土时铲刀有时会突然顶到障碍物，要承受冲击载荷作用。所以推土机在不同的工作情况下，其U型架结构所受的外载荷均不同，受力状态非常复杂。 TY160型推土机为回转式铲刀推土机，在其实际使用中时常发生焊缝开裂、变形及断裂等破坏，严重影响推土机的正常使用，降低生产效率，延误施工进度。为此，我们对TY160型推土机的U型架结构力学
3、性能进行了详细的分析。第二章TY160型推土机相关数据 及载荷计算 lTY160型推土机U型架相关参数l推土机U型架受力分析 lTY160型推土机U型架外载荷计算结果 TY160型推土机U型架相关参数在分析中所需的TY160型推土机U型架相关参数见表1。 推土机U型架受力分析 l土对铲刀的反力土对铲刀的反力 l铲刀计算位置的选择铲刀计算位置的选择 lU型架受力分析型架受力分析 土对铲刀的反力土对铲刀的反力 对于回转式推土机，计算土对铲刀的反力分正铲和斜铲两种作业情况考虑。1、正铲作业时土对铲刀的反力将土对铲刀的反力分解为水平反力PX和垂直反力PZ ，PX的最大值取决于推土机的牵引性能，其值为：
4、 ，其中 为考虑动载因素的铲刀顶推力，2、斜铲作业时土对铲刀的反力在进行斜铲作业时，土对铲刀的反力，除了PX、PZ外，还有水平侧向分力PY。PX的计算同正铲作业一样，PY、PZ可按土的切削斜楔原理计算，公式如下：铲刀计算位置的选择铲刀计算位置的选择 铲刀的计算位置主要有以下四种。第一计算位置 推土机中部顶到障碍物 。其计算条件为：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.推土机功率足够大，在提升推土板的同时，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；4.回转式推土机，铲刀在水平面安装的回转角。第二计算位置 推土板中部突然顶到障碍物其计算条件为：推土机在
5、水平地面作业；铲刀于固定位置切土（油缸闭锁或绞盘制动）；推土机功率不能在提供最大顶推力同时提升推土板；推土机具有最大顶推力，并考虑冲击、惯性等动载因素，需考虑动载系数。第三计算位置 推土板侧角顶到障碍物（偏载）。其计算条件同第一计算位置。第四计算位置 液压推土机铲刀中部强制切土。其计算条件为： 推土机在水平地面作业；铲刀中部顶到障碍物上，且全力向下施压；推土机功率足够大，铲刀在强制入土的同时，以最大顶推力向前，即可能使推土机抬头失稳同时履带滑转；切削深度为零。计算中，选择了第二及第三计算位置。U型架受力分析型架受力分析 以第二计算位置为例,取铲刀为研究对象，受力如图所示。铲刀受力有：土的反力P
6、X和PZ、铲刀自重Gg、U型架铰点支反力XC和ZC、提升力S。PX、PZ和S可前述公式求得，即PX、PZ、S和Gg均为已知力，铰点反力XC和ZC可按下面平衡方程计算。图 铲刀受力图单独取U型架为研究对象，受力如图2所示。因为整个系统的结构及受载均对称， 图2 U型架受力图所以图中： SS S， 作用在U型架上的力有：球铰反力XA、ZA，以及斜撑杆与U型架间反力PB1、PB2、PE1、PE。为计算方便，过铰点1 、2建立一补充坐标轴u-u，由于结构及受力对称， 有：建立以下平衡方程：并根据实际受力特点假设： 以上六式联立，即可求得XA、ZA 、PB1、PB2、PE1、PE。 TY160型推土机U
7、型架外载荷计算结果 第二计算位置（正载）计算结果第二计算位置（正载）计算结果计算中所需U型架各部分尺寸见表2，各尺寸含义见图1和图2。将表1和表2中的数值代入前述公式中，经过计算，得到了U型架在正载时所受外载荷，计算结果见表3。第三章 TY160型推土机U型架有限元分析 l TY160型推土机U型架有限元模型的建立lTY160型推土机U型架有限元计算结果 TY160型推土机U型架有限元模型的建立 一、建立U型架结构的实体模型 由前处理软件提供的交互式图形输入功能，在终端屏幕上人机交互地构建几何模型，同时生成几何模型的描述数据。U型架原始结构如图5所示，根据使用特点及计算要求，对U型架结构进行了
8、必要的简化，得到其实体模型。图5 U型架原始结构图 二、划分有限元网格 对于三维结构的有限元分析，采用高精度的单元，单元数目可以少些，数据准备方便，总计算量也可以减少，高阶单元用于三维问题是更有效的。等参单元既能适应复杂结构的曲面边界，又便于构造高阶单元，在三维结构分析中是很常用的。 由于U型架的结构不规则，为适应其边界，提高计算精度并减少计算量，选择20节点六面体等参数单元来划分网格。整个结构共划分为32332个单元，63800个节点，如图 6所示。 图6 U型架结构有限元网格图 三、确定边界条件 根据U型架使用情况及有限元分析的要求，对模型施加如下约束： U型架与机身铰接处：UX、UY、U
9、Z U型架前端与铲刀铰接处： UZ 其中UX、UY、UZ分别表示沿各坐标轴的轴向 位移。 四、施加载荷 在U型架上分别施加表3和表5中所列的载荷。 五、有限元计算 根据静力平衡条件可以建立结构的整体平衡方程，也就是以节点位移为基本未知量的一组联立的线性代数方程组。当有限元分析采用越来越多的单元离散模型来近似实际的结构时，线性联立方程组的阶数越来越高。有限元求解的效率很大程度上取决于这组线性代数方程组的解法。 线性联立方程组的解法可以分作两大类：直接解法和迭代解法。 由于U型架结构的计算规模较大，选择预处理共轭梯度法（PCG法），运行有限元程序， 进行计算。TY160型推土机U型架有限元计算结果
10、 经过计算，得到了U型架结构的有限元分析结果。整个U型架结构共划分为32332个单元，63800个节点，对每个节点都输出了各方向的应力、位移、反力等数据，整个结构的应力与变形分布状况也分别由不同投影方向的云图清晰、直观地反映出来。由于结果数据量非常大，在此不可能完全一一列出，所以只选取了整个结构在第二位置时个别点为例，列出部分有限元计算结果。 具体计算结果参照表6表7及图7图16。图7 正载工况U型架有限元计算坐标系图8 U型架第一主应力分布（正载）图9 U型架局部第一主应力分布（正载） 图10 U型架局部第三主应力分布（正载）图11 U型架第三主应力分布（正载）图12 U型架位移分布（正载）
11、图13 U型架局部位移分布（正载）图14 表7 有限元计算坐标系图15 对应表7正载应力图图16 对应表7正载位移图第二计算位置（正载）有限元计算结果分析 从应力与位移分布云图分析，在第二计算位置即正载条件下，U型架结构的最大应力与最大变形都发生在U型架前端与接头连接处附近区域，即图中所示的矩形区域。其中，接头部分的最大应力数值为186；U型架本身的最大应力发生在U型架与接头连接处，数值为163；另外在U型架中间对称面周围应力值也比较大为122 100左右。从位移分布云图分析整个U型架结构的变形量较小。图16 应力与变形最大区域示意图 U型架有限元分析结论: 综合U型架正载和偏载条件下有限元计算结果，可见U型架本身结构中，与接头连接处应力值最大，其次为U型架中间对称面周围，相比较而言偏载条件下受力状况更为恶劣。接头部分应力值也较大，但一般接头部分所采用的材料要优于U型架主板，所以在U型架结构改进中可以不予以考虑。
