推土机工作装置的应力分析及结构改进

崔盈利，张为春

CUI Ying-li, ZHANG Wei-chun

（山东理工大学，淄博 255049）

0 引言

推土机是矿山开采、建筑工程等的主要施工设备，工作条件十分恶劣。工作装置作为推土机承受工作载荷的主要部件，受到的外载复杂多变，所以经常会出现问题，如某型号推土机的顶推梁有时出现断裂的现象，影响工程的质量与进度。因此，对推土机工作装置进行应力分析是推土机设计和改进时必不可少的环节。用有限元法对推土机工作装置进行应力分析，能大大降低成本并缩短设计周期[1]，对于提高推土机的设计速度和水平也具有非常重要的意义。

1 推土机工作装置的结构模型

在Pro/E软件中建立的推土机工作装置结构总成模型如图1所示，它主要由推土铲、斜撑螺杆、侧倾油缸、左顶推梁、右顶推梁、水平斜撑杆、左右提升油缸组成。推土铲与车架之间连接有顶推梁、侧倾油缸等部件，因此推土铲含有顶推梁支座、侧倾油缸支座等结构，另外，推土铲结构还包括底板、背板、面板、后加强筋板及侧板等部件。由于工作装置结构的复杂性，故本文采用了有限元法对其进行应力应变计算。

图1 推土机工作装置结构总成模型

2 推土机工作装置有限元分析

将在Pro/E软件中建立的推土机工作装置结构模型导入到ANSYS软件中。

2.1 推土机工况选择

考虑到现有实验条件等因素的影响，本文选取了以下两种工况对推土机工作装置进行强度应变分析：

第一种计算工况，推土机在水平路面上正铲推土，油缸封锁，即推土铲刀上下位置不变，推土铲刀达到最大推土量至履带滑转，此时推土铲的推土力达到最大值。由于推土机推土速度变化缓慢，可以忽略动载如惯性、冲击等因素的影响[3]。

第二种计算工况，推土机在水平路面上斜铲推土，即推土铲刀向左倾斜推土，油缸闭锁，在推土过程中突然遇到障碍物，当履带出现滑转时，推土铲的推土力达到最大。由于惯性、冲击等动载因素的影响，本文选取动载系数为1.5，计算施加载荷时应乘以动载系数。

2.2 推土机外载荷的确定

本文所指的推土机外载荷主要是推土铲刀在相应工况下所受土壤的阻力。由于推土机在水平路面上推土，当履带滑转时推土机的附着力为最大附着力。要得到推土机的最大外载荷，首先要计算出最大附着力，公式如下：

G为推土机整机机重；

试验选择的是干粘土路面，经资料查询其附着系数值为0.9，整机机重为17500kg，则第一种计算工况推土机的最大外载荷为：

第二种计算工况取动载系数为1.5，则推土机的最大动载荷为：

2.3 推土机工作装置有限元分析

2.3.1 工况一推土机工作装置有限元分析

由于自由网格划分对模型没有特殊的要求[2]，本文在对农用推土机工作装置模型进行网格划分时，选择了自由网格划分方法。

第一计算工况，对推土铲施加水平面载荷，施加载荷的大小为154350N，另对左右顶推梁右端及左右提升油缸顶端施加约束，进行应变仿真分析，得到结果如图2所示。

图2 工况一工作装置总应变云图

由图2可知，推土机工作装置的应变程度从推土铲到顶推梁右端逐渐减小，这是由于本文对顶推梁右端施加了固定约束。对于工作装置的各零部件，部分位置有较大应变，主要分布在铰接点等应力集中的地方，其中顶推梁最大应变处发生在顶推梁与水平斜撑杆的连接部位，推土机顶推梁接近中间的部位出现较大应变，大小为206um/m。

2.3.2 工况二推土机工作装置有限元分析

第二计算工况，对推土铲左角点施加点载荷，施加载荷的大小为231525N，另对左右顶推梁右端施加约束。对工作装置进行应变仿真分析，得到结果如图3所示。

图3 工况二工作装置总应变图

由图3可知，顶推梁接近中间的部位出现最大应变，大小为524um/m。

3 推土机工作装置应变测量试验

3.1 试验设备及说明

本文使用的是型号为ImcCL-5016-1的数据采集设备；传感器选用型号为B*120-2AA的电阻应变计；Plug接头若干，用以接入1/4桥路应变信号；信号传递线若干；其他辅助设备，如电动角磨机，无水乙醇，胶枪，万用表等。将传感器正确连接至数采设备，输入设定参数，平衡桥路后即可测试。对工况一试验时，推土铲处于水平位置进行推土工作，直至履带出现滑转，将应变测量结果进行记录保存，如此重复进行3次。对工况二试验时，推土铲处于侧倾位置进行推土工作，直至履带出现滑转，将应变测试结果进行记录保存，如此重复进行3次。

3.2 推土机工作装置测点的选择

根据以往推土机工作装置曾出现开裂、断裂的位置，结合对各部件力学分析，我们选取了以下各处做为测试截面。

图4 各测试点位置

图4 左上图为顶推梁的应变片粘贴位置，位于顶推梁中间部位、支座与顶推梁的连接处。图4右上图为水平斜撑杆应变片粘贴位置，位于水平斜撑杆中间位置外侧。图4左下图为斜撑螺杆应变片粘贴位置，位于斜撑螺杆中间位置外侧。图4右下图为侧倾油缸应变片粘贴位置，测试点选在侧倾油缸下端，这样可以避免应变片受到油缸运动部件的影响。

3.3 采集数据结果及分析

本文采用的数据处理应用软件是与imc配合使用的FOMOS（Fast Analysis & Monitoring Of Signal）软件。由于试验中采集的有用信号一般都在10Hz以内，故首先对原始的数据采取低通滤波处理，截止频率为10Hz。然后对照相应测试的录像，对照波形，确定要测量的工况的截止时间，对其进行分段处理。将FOMOS处理后的文件以Excel格式导出，就可得到两种工况下各个测试点的应变值。

3.3.1 工况一推土机工作装置应变分析

如表1所示为工况一顶推梁试验应变值。可以看出，顶推梁应变最大值在200um/m左右，负值表示应变片受压，即测量点受压力作用。

表1 工况一顶推梁应变测量数据

3.3.2 工况二推土机工作装置应变分析

如表2所示为工况二顶推梁试验应变数值。可以看出，顶推梁应变最大值在550um/m左右，负值表示应变片受压，即测量点受压力作用。

表2 工况二顶推梁应变测量数据

通过对比分析发现，试验结果和仿真结果一致，应变最大值出现在顶推梁中间部位，所以其他测量点的应变值在此不再给出。而且三次试验中，顶推梁测试点处的测试数据重复性也比较好。分析结果不仅证明了有限元模型分析的正确性，也为进一步的结构优化提供了依据。

4 推土机工作装置结构优化及分析

4.1 推土机工作装置的结构改进

通过仿真结果和试验结果的对比分析，本文将改进目标放在了顶推梁部件，对顶推梁做了结构改进。经过综合考虑，本文将顶推梁的宽度从之前的225mm增加到改进后的245mm。

4.2 改进后工作装置有限元分析

改进后，对工作装置重新进行网格划分和施加载荷，进行分析后即可得到以下结果，最大应变处仍然在顶推梁中部，不过应变值小了很多。

4.2.1 改进后工况一工作装置有限元分析

图5 改进后顶推梁应变图

由图5可知，对于第一计算工况，改进后的顶推梁的应变状况比改进前有所改善，顶推梁中间部位铰接处的最大应变值由改进前的206um/m减少至105um/m。

4.2.2 改进后工况二工作装置有限元分析

图6 改进后顶推梁应变图

由图6可知，对于第二计算工况改进后的顶推梁的应变状况比改进前有所改善，在顶推梁中间部位铰接处的最大应变值由改进前的524um/m减少至286um/m，说明改进后的农用推土机工作装置比改进前的结构强度得到明显提升。

5 结论

1）有限元分析结果和试验结果基本一致，确定推土机工作装置的应变最大值出现在顶推梁中间部位，证明了有限元模型分析的正确性，也为推土机工作装置结构优化提供了依据。

2）改进后的推土机工作装置在两种工况下的最大应变值都大大降低，改进后的顶推梁没有出现断裂等现象。

[1] 郭立新,王守春,郑春岐,等.液压反铲挖掘机工作装置有限元动态分析[J].中国机械工程,2000,11(12)：1228-1340.

[2] 蒋孝煜.有限元法基础[M].北京：清华大学出版社,1992.

[3] 王晓.可变间距式履带底盘测功机驱动轴组合有限元分析[J]. 农机化研究,2012(8)：204-212.

[4] 赵军,曹杰,刘晓飞.基于ANSYS的籽棉抓斗铰支座的应力分析[J].农机化研究,2011(2)：35-38.

[5] Blouin S, Hemami A, Lipsett M.Review of Resistive Force Models for Earthmoving Processes[J].ASCE Journal of Aerospace Engineering,2001,14(3)：102-111.