推土机铲刀与土壤相互作用理论-毕业论文.doc

推土机铲刀与土壤相互作用
相互作用理论

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 5
2.1 推土机分类及其方式 5
2.1.1 推土机功率 5
2.1.2 推土机行走方式 5
2.1.3 推土机传动方式 5
2.1.4 推土机用途 6
2.1.5 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 8
3.1 推土机铲刀与土壤相互作用的研究方法 8
3.2 推土机铲刀与土壤相互作用研究规划 10
3.2.1 推土机铲刀切削阻力研究 10
3.3 土壤的振动切削研究 12
四. 推土机铲刀阻力的计算 15
4.1 切削阻力的计算 15
15
4.2 铲刀前积土的推移阻力的计算 15
4.3 铲刀刀刃与土壤摩擦阻力的计算 16
4.3.1 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 22

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

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。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, 改善了作业性能, 减轻了驾驶员的劳动强度。

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 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面压入和切削土的情况来简化描述。单元工作元件指的是平面压模、楔、圆锥体等单元件。把这类单元压入土体时，主要产生土的压缩变形。在弹塑性、脆性或松散的土中，还产生沿土体滑移面的剪切变形。在压模侧面与土之间产生摩擦力，由于在压模底部下面土中压实区的运动，造成土间的摩擦。当把平面压模、楔和锥体压入土体时，还将产生土体的拉断变形。切削断面指的是用切削刃片制成截面形状不同的切削元件。当用切削断面水平切削土时，切削元件的前刃口使土产生压缩、剪切、拉伸等变形，对于粘性土还产生拉断变形。此外，切削时还产生土壤与切削元件前刃口、土壤与切削断面内表面之间的摩擦。铲刀形工作部件作业时，土沿工作表面的滑移阻力和土堆沿地面的移动阻力在总工作阻力中占有很大比重，仔细研究这一情况，对于确定工作部件的合理参数和工况有重要意义。
推土机作业时，不仅要使土屑与基土分离，而且还要推移、堆集在切削刀具前方的拖曳土堆，并使切下的土屑穿过拖曳土堆而翻转 到刀具的前方。推土机铲刀是按土壤切削原理进行工作的，切削阻力占整个工作阻力的很大部分。沿铲刀运行轨迹切线方向作用的合力称为铲挖力。推土机铲挖力表达式为：

式中：
—推土机铲挖力；
—切削力；
—推移拖曳土堆的力；
—用于克服土屑穿过拖曳土堆阻力的力；
然而，由于土的非均匀性质，以及影响铲挖力的因素十分复杂，目前通用的计算方法大多是建立在试验基础上的一些经验公式。例如，在计算推土机铲刀切削力
时，常采用以下经验公式：

式中：
—平均单位铲挖力，其值用试验方法确定，从Ⅰ到Ⅴ级土，对于铲刀型工作部件
—土屑截面的平均面积。
平均单位铲挖力取决于下列因素：
1. 土的物理—机械性能：土的压缩比阻、拉断比阻、弯曲比阻和剪切比阻，土的弹性模量、剪切模量，土与土、土与钢的摩擦系数，土的密度。
2. 铲刀和土屑的形状与参数：土的受挤压面积，铲刀切削刃口磨损表面面积和长度，土屑的厚度和面积。
3.铲刀与土相互作用过程中的运动学参数：切削角，轨迹角。 可见，影响平均单位铲挖力的因素十分复杂，因此有必要通过大量试验研究探求平均单位铲挖力与众多影响因素之间的内在因果联系。

3.3 土壤的振动切削研究
土壤振动切削可分两类，一类是顺着铲刀推进方向的振动切土，另一类是垂直于铲刀推进方向的振动切土。前者切削土壤的方向仅有一个，称为一维切削；后者切削土壤的方向有两个，即铲刀推进方向和与推进相垂直的方向，称为二维切削。二维切削较之一维切削具有切削效率高、动力消耗少等特点。
铲刀不振动时铲刃插入阻力可应用土力学原理加以分析，其表达式为：

式中：
—铲刃阻力；
—土壤自重引起的阻力；
—土壤水平方向单位面积压力引起的阻力；
—由土壤粘聚力引起的阻力。
振动铲刃在插入土体的同时，在前进的垂直方向上、下拍打土体，其运动轨迹一条波浪线，铲刃运动模型如图 2.3 所示：

图 3.1 振动铲刃运动模型
1-铲刀；2-铲刃；3-土坡。
铲刀的角位移方程为：

式中：
—角振幅；
—振动圆频率；
t—时间变量。
l—铲刃长度;
铲刃任意时刻运动方向与水平方向的夹角为：

式中：
—铲刀插入土体速度。
此时，铲刃阻力由两部分组成，一部分为土体剪切破坏阻力，另一部分为土体流动惯性力。由于土体流动的数量很小，将土体流动惯性力略去。振动时铲刃插入阻力为：

铲刀铲刃振动切土阻力与不振动切土阻力存在实质性差别的原因在于振动时铲刃于土壤的主要作用方向不是铲刀前进方向，而是与之垂直的方向。振动切土时，铲刀铲刃当量厚度（铲刀铲刃阻力与铲刃厚度成正比，将振动切土铲刃阻力与不振动时铲刃阻力的比值之分母化简为铲刃厚度，则其分子表达式即为铲刃当量厚度）为变量，随着铲刃插入速度与振动频率的改变而改变。铲刀插入速度越低，振动频率较高，铲刃振幅较大时，当量铲刃厚度越小。当量铲刃厚度越小，插入阻力也越小，这是振动二维切削减小铲刃阻力的机理。

四. 推土机铲刀阻力的计算
4.1 切削阻力的计算

式中：B——铲刀宽度
——切削比阻力、w l; ，单位

4.2 铲刀前积土的推移阻力的计算
推移阻力由下式计算：

—铲刀前积土重（N）
—土壤与土壤间的摩擦系数
铲刀前积土重可按下式计算（图4.1）

图 4.1 铲刀前积土

式中 ——密实土壤在自然湿度下的平均重度
——土壤的自然坡度角
——考虑与铲刀参数H/B有关的侧漏等影响的土量换算系数
——高度（m）

4.3 铲刀刀刃与土壤摩擦阻力的计算

图 4.2 铲刀刃与土壤的摩擦阻力的计算
铲刀刃与土壤摩擦阻力，等于土壤对铲刃的垂直反力与摩擦系数之积，即

式中 ——土壤对铲刀的垂直反力
——土壤与钢铁的摩擦系数
——考虑刀刃磨损后，刀刃压入土壤的比阻力
F′——考虑磨损后铲刀刃与地面接触面积（cm）
X ——考虑磨损后铲刀刃与地面接触长度
4.3.1 土壤沿铲刀上升的摩擦阻力的水平分力
可按下式计算, 见图4.3

式中 ——铲刀的切削角
综上,推土机的最大阻力可用下式表示

图 4.3土壤在铲刀上的摩擦阻力

五.直铲推土机典型工况受力分析

图 5.1 推土板上的作用力
由图知：

——土与钢铁间的摩擦角
由上述二式得：

根据此式，随着的变化，可说明下述几种工况：
（1） 当时，为正值，其作用方向向下，此时既是推土铲刀的切土阶段；
（2） 当时，为负值，其作用方向向上，这种情况出现在刚开始切土阶段；
（3） 当时，则。这时，即推土铲刀处于固
定状态。此时，由于值远远大于值。所以，一般可用下式计算：
（5－3）
而又决定于推土机的牵引性能，考虑到动载的影响，取

式中 ——计算牵引力
——额定牵引力，
——动载荷系数，通常取
——额定附着系数；对于履带去；对于轮胎式

六.展望
近年来新开发的新型推土板有凸出刀片推土板，螺旋排土器推土板等，国外有俄罗斯开发的双面刀片推土板，带夹持机构推土板，美国开发的装有GPS自动调平控制系统推土板，日本开发的推土板是UPE塑料板材制作的面板，我国山推公司开发的采用先导操纵的推土板等多自由度推土装置的开发应用。随着城建设施建设的增多和农田水利建设的需要，应逐渐完善多自由度推土装置的开发和应用。
“十一五” 期间， 我国交通基础设施建设投资力度将进一步加大 ： 计划完成铁路建设投资1 2 500 亿元， 建设新线 1 9 800km；新增公路里程40 万 km ，其中高速公路 3 万 km 。作为一种多用途的自行式土方工程建设机械，推土机将在陆续开展的交通基础设施建设中分得一杯羹。另外，宏观调控后部分地区产品需求的恢复性增长、新农村建设带动的农村基础设施建设投入的增加以及仍将在一定时期内维持高速增长的出口市场都将积极推动我国推土机市场的发展。在交通基础设施建设中，除高速公路建设需要大、中马力推土机外，高等级公路建设、县乡级公路网建设和水利工程、环保工程建设势必增加对小型推土机 （100 马力以下） 的市场需求； 另外，与北美、西欧和日本市场相比，我国小型推土机市场销量存在相当大的差距，但是，差距同时也是机遇。以上种种说明我国小型推土机市场有着巨大的发展空间，但是，对于小型推土机的市场导入和发展过程应该有着充分的准备，产品的市场定位一定要准确。虽然“十五”期间推土机行业取得了相当大的技术进步，但是，我们也应该意识到我国产品与国外著名公司的产品相比在产品系列化及多功能化方面仍存在不小差距。目前，我国推土机行业用户群相对分散，液压件制造技术相对传动件落后，中小马力推土机仍将具有很强的生命力。结合国外推土机产品的技术发展历程，现在和未来一段时间内，我国推土机产品的发展将集中在以下几个方面：进一步开发环保型推土机产品，应用电子监控技术，提高产品可靠性；提高驾驶室的工作舒适性；通过现代传感技术、工作装置自动找平技术等的应用提高推土机的作业性能；尽量缩短国产推土机产品的平均无故障工作时间。企业只有不断改进产品配置，推出新产品、新技术、新工艺才能刺激用户更新设备，企业自身也可以以此来最终摆脱低利润水平竞争的困扰，最终提升市场空间和盈利空间。

七.写的比较好的地方
通过阅读相关文献资料，我基本了解了铲运机的分类、工作原理、工作过程、工作场所，理解了在典型的工况下推土机铲刀与土壤相互作用简化系统的方法，同时明白了铲运机在工作过程中不同部件的受力大小情况。
八.自己的见解
通过一系列的系统简化模型和相关的运动学计算，对推土机的运动过程的分析比较详细，从力学分析结果推土机铲刀与土壤相互作用得到铲刀典型受力情况， 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较为丰富，让我对铲运机的工作原理和运动过程理解更深刻

九.参考文献
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