1、1推土机铲刀与土壤相互作用相互作用理论2目 录一.推土机国内外研究概况与发展趋势 .4二.推土机简介 .52.1 推土机分类及其方式 .52.1.1 推土机功率 .52.1.2 推土机行走方式 .52.1.3 推土机传动方式 .52.1.4 推土机用途 .62.1.5 推土机铲刀安装方式 .7三.推土机铲刀与土壤相互作用研究的意义 .83.1 推土机铲刀与土壤相互作用的研究方法 .83.2 推土机铲刀与土壤相互作用研究规划 .103.2.1 推土机铲刀切削阻力研究 .103.3 土壤的振动切削研究 .12四. 推土机铲刀阻力的计算 .154.1 切削阻力的计算 .15bQKBhP.154.2
2、铲刀前积土的推移阻力的计算 .154.3 铲刀刀刃与土壤摩擦阻力的计算 .164.3.1 土壤沿铲刀上升的摩擦阻力的水平分力 .17五.直铲推土机典型工况受力分析 .18六.展望 .20七.写的比较好的地方 .21八.自己的见解 .21九.参考文献 .223摘要：推土机是一种在拖拉机前面装推土铲装载的筑路机械，用于推土、平整建筑场地等。例如在道路建设施工中，推土机可以完成路基基底的处理，路侧取土横向添建筑高度不大于一米的路堤，沿道路中心线向铲挖转移，运土壤的路基挖填工程，依山取土修筑半堤半堑的路基。此外，推土机还可以用于平整场地，堆积松散材料，清除作业地段内的障碍物等。本文主要介绍了对直铲式结
3、构，主要对推土铲刀进行了计算；并进行典型工况下推土机的受力分析以及铲刀受力分析和强度校核，以满足工作要求。 关键词：推土机，直铲式，推土铲刀，受力分析4一.推土机国内外研究概况与发展趋势推土机(track-type tractor，也有称 crawler dozer）是由美国人Benjamin Holt 在 1904 年研制成功的，它是在履带式拖拉机前面安装人力提升的推土装置而形成，当时的动力是蒸汽机，之后又先后研制成功由天然气动力驱动和汽油机驱动的履带式推土机，推土铲刀也由人力提升发展为钢丝绳提升。Benjamin Holt 也是美国卡特彼勒（Caterpillar Inc.）公司的创始人之
4、一，1925 年 5Holt 制造公司和 C.L,Best 推土机公司合并，组成卡特彼勒推土机公司，成为世界首家推土设备制造者，并于 1931 年成功下线第一批采用柴油发动机的 60 推土机。随着技术的不断进步，推土机动力已经全部采用柴油机，推土铲刀和松土器全部由液压缸提升。推土机除履带式推土机外，还有轮胎式推土机，它的出现要比履带式推土机晚十年左右。由于履带式推土机具有较好的附着性能，能发挥更大的牵引力，因此在国内外，其产品的品种和数量远远超过轮胎式推土机。我国生产推土机，是新中国成立以后才开始的。最初是在农用拖拉机上加装推土装置。随着国民经济的发展，大型矿山、水利、电站和交通等部门对中大型
5、履带式推土机的需求不断增加，我国中大型履带式推土机制造业虽有较大发展，但已不能满足国民经济发展的需要。为此，自 1979 年以来，我国先后从日本小松公司和美国卡特彼勒公司引进了履带式推土机生产技术、工艺规范、技术标准及材料体系，经过消化吸收和关键技术的攻关，形成了以,20 世纪 80-90 年代小松技术产品为主导的格局。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
6、载机厂等，扩充了推土机行业队伍。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。5上述公司除生产推土机外，也开始涉足生产其他工程机械产品，如山推还生产压路机、平地机、挖掘机、装载机、叉车等。二.推土机简介2.1 推土机分类及其方式2.1.1 推土机功率推土机按发动机功率的大小可分为小型推土机(37kW 以下 ) 、中型推土机 ( 37 25 0 k W )和大型推土机(250kW 以上) 三类。2.1.2 推土机行走方式推土机可分为履带式和轮胎式两种。履带式推土机
7、的附着性能好, 牵引力大, 接地比压小,爬坡能力强, 能适应恶劣的工作环境。履带式推土机具有优越的作业性能, 是推土机重点发展的机种。轮胎式推土机行驶速度快,机动性能好,作业循环时间短,转移方便迅速,不损坏路面,特别适合在城市建设和道路维修工程中使用。轮胎式推土机制造成本较低,维修方便,近年来也有较大的发展。但轮胎式推土机的附着性能远不如履带式,在松软潮湿的场地施工时容易 引起驱动轮滑转,降低生产效率,严重时还可能造成车辆沉陷,甚至无法施工;在开采矿山等恶劣条件下,轮胎式推土机如遇上坚硬尖锐的岩石,容易引起轮胎急剧磨损, 因此轮胎式推土机的使用范围受到一定的限制。2.1.3 推土机传动方式推土
8、机的传动方式有机械式，液力机械式，全液压式和电气传动式四种。采用机械式传动的推土机具有工作可靠，制造简单，传动效率高，维修方便等优6点, 但操作费力,传动装置对载荷的自适应性差, 容易引起发动机熄火, 降低作业效率, 在大中型推土机上已较少采 用机械式传动。液力机械式是现代推土机采用的主要传动形式。采用液力变矩器与动力换挡变速箱组合传动装置, 具有自动无级变速变扭, 自动适应外负荷变化的能力, 发动机不容易熄火, 且可负载换挡, 减少换挡次数, 操纵轻便灵活, 作业效率高。施工经验证明, 采用液 力机械式传动的推土机, 比同功率机械式推土机的生产率要高 50% 左右。液力机械式传动的缺点是液力
9、变矩器 在工作过程中容易发热 , 降低了传动效率; 同时传动装置结构复杂、制造精度高, 提高了制造 成本,也给维修带来了不便和困难。全液压传动式推土机的传动装置结构紧凑, 操纵轻便, 可实现原地转向。采用低速大扭矩液压马达驱动可获得与外负荷相适应的牵引特性曲线, 能在不同负荷工况下稳定发动机转速, 充分利用发动机功率。静液压驱动可实现自动无级调速, 运行平稳, 无冲击。电气传动式采用电动机驱动, 其结构简单, 工作可靠,不污染环境, 作业效率高。此类推土机一般用于露天矿山开采或井下作业。因受电力和电缆的限制 , 电气传动式推土机的使用范围受到很大的限制。2.1.4 推土机用途推土机可分为普通型
10、和专用型两类。普通型推土机通用性好, 可广泛用于各类土石方工程施工作业;专用型推土机则是一种 在特定工况下进行施工作业的推土机, 专用性强, 只适用于特殊环境下的施工作业。专用型推土机有浮体推土机、水陆两用推土机、 深 水推土机、湿地推土机、爆破推 土机、低噪声推土机、军用高速推土机等。浮体推土机和水陆两用推土机属浅水型推土施工作业机械。浮体推土机的 机体为船形浮体, 发动机进，排气管装有导气管通往水面, 驾驶室安装在浮体平台上, 可用于海滨浴场、 海底整平等施工作业。水陆两用推土机属两栖型推土机, 主要用于浅水区或沼泽地带 作业, 也可在陆地上使用。潜人水下作业时, 发动机必须通过伸出水 面
11、的导气管进、排气, 并通过无线电进行遥控操纵。深水型推土机适合海底潜水作业, 并配备辅助工程船提供电力, 通过电缆驱动水下推土机。湿地推土机为低比压履带式推土机, 可适应沼泽地7的施工作业。军用高速推土机主要用于国防建设, 平时用于战备施工, 战时可快速除障, 挖山开路。2.1.5 推土机铲刀安装方式推土机的铲刀安装形 式有固定式和回转式两种。固定式为直铲式; 回转式可实现斜铲和侧铲作业, 扩大了推土机的作业范围。现代推土机的工作装置操纵已实现液压化, 可实现对工作装置，工作状态的 自动控制, 还可借助液压缸推力和基础车及其工作装置自身的重力, 强制铲刀或松土装置人土, 提高了作业效率, 改善
12、了作业性能, 减轻了驾驶员的劳动强度。8三.推土机铲刀与土壤相互作用研究的意义推土机通过铲刀与外界作业介质（如土壤、砂石等）发生相互作用，从而完成各种作业工况。推土机铲刀与土壤相互作用过程及其机理的研究是设计和使用推土机的基础。推土机铲刀与土壤相互作用理论是工程机械地面力学中工程机械工作装置与工作介质相互作用理论的重要研究内容。推土机是土方工程机械中的一种基本设备。它可以独立完成铲土、运土、卸土、回填、清理施工现场、平整场地、铲除树根草木等多种作业。推土机不仅在土建工程中有广泛的用途，它在交通、水利、采矿、农林及国防工程中也得到充分地运用推土机铲刀是推土机主要的工作装置，推土机通过铲刀与外界作
13、业介质（如土壤、砂石等）发生相互作用，从而完成各种作业工况。推土机铲刀与土壤相互作用过程及其机理的研究是设计和使用推土机的基础。推土机铲刀与土壤相互作用过程是工程机械工作装置与工作介质相互作用理论的重要研究内容。通过对铲刀与土壤相互作用过程的物理、力学本质的研究，可以找到降低铲挖能量和设计高效、合理工作部件的有效途径。 研究推土机铲刀与土壤的相互作用，从设计机器的角度来看将有利于更为合理地确定机器的结构参数，从而充分发挥各个总成的工作能力和提高机器的整机性能。从机器的使用观点来看，它将有助于解决如何在具体的使用条件下充分发挥机器的性能和效益，从而建立机器的合理使用规范和施工的最优化方法。3.1
14、 推土机铲刀与土壤相互作用的研究方法 在铲刀与土壤相互作用的研究中，根据问题的性质、条件和具体情况通常采用以下研究方法： 1.经验法。该方法通过反复试验的办法，寻找描述土壤与铲刀相互作用状态的各个机9械特性参数及它们的对应关系，建立经验公式。经验公式中变量之间的关系往往不属于严格地建立在基本物理力学规律上的理论关系，所涉及参量也往往是复合性的非唯一的量，因而适用范围较窄，所传递的有关过程内部本质的信息有限。崔占荣对于试验数据，利用逐步回归法，在给定的置信度下,得到不同介质条件下的模型铲刀推土阻力回归方程，建立了模型铲刀推土阻力在不同工作介质中的数学模型。通过对试验数据的回归分析得出推土阻力在不
15、同切削速度下的经验公式。 2.半经验法。一般是在试验观察与分析的基础上，依据莫尔-库伦剪切失效准则和被动土压力理论，采用刚体静力学法或塑性极限平衡法，利用力系平衡建立推土板推土阻力模型。在观察和分析大量试验的基础上，认为土壤切削过程分为地表铲刀前集土移动和地面下刀刃切削土壤两个过程，建立了铲刀与土壤相互作用数学模型，给出了铲刀水平阻力和垂直铅垂阻力表达式；详细地研究了与前进方向成直角的直立推土板与土壤之间的相互作用，3.理论分析法。该方法是将所需要的土壤机器相互作用分解为少数不能忽略不计的基本性能(或行为)，识辨各性能所包含的特性，用基本物理力学法则描述这些特性，从而建立一套包括基本参数，并能
16、得出所有输入变量相互作用的结果的定量化性能方程式，并经实验验证。真正成立的理论解的优点是适用于大范围的环境变化，精度较高，但往往复杂而费时费力。随着计算机技术的发展，数值解析方法以及其他高科技方法很大的提高了理论分析法在地面机器系统研究中的应用。4.模型试验和因次分析方法模型试验就是把自然物理现象中一切与车辆工作过程有关的的因素按一定的比例缩小，并将该现象搬到试验室的土壤中来观察和试验，然后再把观察和实验得到的结果用一定的比例放大，从而得到发生于原形中的物理现象。模型10试验要求模型系统所有的参数相对于原形系统有各自对应的比例，这就要求不仅在几何方面，而且在动力学方面达到相似。模型试验法可以很
17、好的控制所有的试验参数，3.2 推土机铲刀与土壤相互作用研究规划对推土机铲刀与土壤相互作用研究进行规划，是构建一个科学和高效的铲刀与土壤相互作用试验系统的第一步也是关键的一步，这将作为构建该试验系统的依据和指导思想。铲刀与土壤相互作用研究内容极为丰富，本章将从几个主要方面进行研究规划。 3.2.1 推土机铲刀切削阻力研究 推土机铲刀切削阻力的研究主要是为了探求铲刀与土壤相互作用的原理与规律，研究影响切削阻力的各种影响因素，以利于合理设计和使用铲刀工作部件。 目前研究现状 铲刀型工作部件是常见的土方机械工作部件，其与土壤相互作用过程十分复杂，它引起土壤的各类形式的变形和各种摩擦力。 铲刀与土壤相互作用过程和下列因素有关：铲刀工作部件的结构和几何参数，如形状、尺寸，切削刃的形状及其尖劈角；机器的运动学特点，如运行轨迹、切削角的变化等；土屑的参数，如宽度、厚度及其比值，断面面积；铲刀与土作用的方式（基土的自由面数） ；土的物理机械性质，如压缩、剪切、断裂阻力，内外摩擦角，密实度、湿度等。 在铲刀与土壤相互作用过程中，土壤一般产生压缩、剪切和很少的拉伸变形，并且伴随土的断裂，土与工作面的摩擦，铲刀与地面的摩擦以及土本身之间的摩擦。 工作部件与土壤相互作用时，土体的变形情况可用单元工作元件和切削断
