推土机梳理铲的设计开发

王清锴，季有昌，金 丹

（1.山推工程机械股份有限公司工程机械研究院，山东 济宁 272073；2.山东科技职业学院 机械工程系，山东 潍坊 261053）

0 引 言

推土机根据功能可分为工业用推土机和农业用推土机。这两种推土机可配置的铲刀类型除了常见的直倾铲、角铲、U型铲、半U型铲等，还可配置特殊用途的铲刀，如推煤铲、环卫铲等。但是，上述所有的铲刀作业时都是将推土铲前侧的物料清理掉。

在一些特殊的地区，如非洲、东南亚及南美洲的丛林地带，人们在清理地面低矮的灌木丛时，往往想清理的仅仅是灌木丛及土壤下面的根系，土壤则要保留下来，用于农作物种植或建筑等其他用途，而传统的推土机铲刀只能完成铲、推、耙等的工作，很难将灌木丛、荆棘、树根等清理掉的同时漏出不需要清除的泥土、杂物等。

基于此，本文开发一款专用于灌木丛、荆棘、树根等杂物清理的铲刀。

1 推土机铲刀的分类

推土机铲刀可分为常规铲刀和变形铲刀。常规铲刀有直倾铲、角铲、U型铲等，而变形铲刀主要有环卫铲、推煤铲、伐木铲等。

直倾铲是专为连续进行重切削作业而设计的，适用于短程或中距离的推土作业。铲刀前侧是有一定曲率的弧形板，推土时可使土壤滚翻升起，从而减少推土阻力。

角铲是供斜铲作业用，可左右摆动25°安装，这种铲刀极其适用于修建公路和清理杂物等，可以方便地将物料推至公路两边。

推煤铲外形似U型铲，适宜作长距离和大量的推土作业，具有强大的集土、运土能力，广泛用于煤场等松散物料的作业场所。

环卫铲在铲刀上侧增加栅格，高度有所增加，防止垃圾中的杂物（如铁丝、腐蚀性物质）进入前机罩，损坏散热器等部件。

2 梳理铲刀的特点

2.1 梳理铲的工作特点

梳理铲刀从外观来看像耙子，且兼顾搂耙和清理的作用，故称为梳理铲。

梳理铲是一种特殊的前工作装置，主要用于一些不需要铲土运输的特殊工况，如在森林里开荒清理地表时可将树木推成成条状的树墙，每条树墙的间距在100～150m左右，使用梳理铲的主要目的是减少积累在树墙上的地表土。另外，在一些丛林边缘地带进行开荒种地时，用梳理铲可在将灌林丛、荆棘、树根等杂物清理掉的同时保留土壤。

2.2 梳理铲刀片的受力分析

梳理铲刀一般有7～18个刀齿，每个刀齿的长度和曲率相同，在作业时所有刀齿一起工作，且所有刀齿的受力均沿着车体前进的方向，无侧向分力，有利于发动机牵引力的发挥。基于土壤切削理论设计出的梳理铲铲刀受力及传统铲刀受力如图1所示［1］。

2.3 梳理铲的结构分类

梳理铲与普通推土铲的区别主要在铲头部分。考虑到部件设计的通用性，梳理铲刀铲头后部的连接座设计为与推土铲刀连接座相同的结构，方便与推土铲刀互换，使同一台推土机能适应多种工况，提高推土机的使用率。

图1 梳理铲刀与传统铲刀刀片受力分布对比

梳理铲的铲头按照齿杆的固定方式可分为焊接式和装配式2类。焊接式齿杆是指将齿杆直接焊接在铲头框架上，装配式齿杆则将齿杆通过螺栓、销轴等方式安装在铲头上。焊接式铲头结构简单，零部件数量少，制造周期短且整体强度高；装配式铲头结构复杂，零部件数量多，设计制造周期较长，制造成本相对较高，但齿杆可更换性好，维修成本较低，如图2所示。

图2 两种结构梳理铲对比

小型推土机梳理铲结构简单，多为焊接式，制造简单，成本较低，刀齿数较少，多为7～10个齿杆；大中型推土机梳理铲结构形式多样，齿数较多，且作业工况不同则齿数不同，一般为14～18个。

3 梳理铲设计

3.1 梳理铲铲头结构

梳理铲铲头下部均匀布置一定数量的齿杆，齿杆直接接触物料，是直接受力部分，因此齿杆的设计需要有足够的强度。梳理铲的齿杆一般选择铸件或由高强度厚钢板加工而成。为了保证强度，设计时需进行优化分析，以选取最优的结构。

梳理铲头设计有上、下横梁，起支撑齿杆的作用，下横梁同时承受弯曲和剪切应力，受力较大，应具有较高强度及较大的截面，上横梁可直接选用现有的异型钢管。

梳理铲的铲头本体按照上、下横梁的位置，可分为上部、中部、下部3部分，上部为护栏部分，避免前方高大的树枝、树杈等物体进入前机罩，破坏散热器等，起防护推土机的作用；中部为漏土、堆积部分，起漏出杂草、泥土等不需要清理物料的作用；下部为梳齿部分，梳齿切入地面，清挖灌木丛、荆棘、树根等有一定深度的掩埋物，起切削、分土、漏土作用。梳理铲铲刀结构如图3所示。

图3 梳理铲刀结构

齿杆设计时，除了要求材料硬度高、耐磨性强，齿杆长度也要适中，并有较高的屈服强度，否则容易变形。实际作业时，齿杆之间往往增加圆钢连接，圆钢与齿套上部距离20cm左右，虽然圆钢增大了入土阻力，但可减少齿杆变形，提高铲头的使用寿命。另外，为了方便树木堆积铲运，齿杆前端面应设计为圆弧形。

齿套通过销轴与齿杆配合，安装在齿杆的最下端。齿套与土壤直接接触，磨损较快，因此寿命很短，要经常更换，齿套的设计除了要求材料有较强的抗磨损性能外，在结构上应尽可能方便拆装且连接可靠。

3.2 梳理铲铲头参数设计

梳理铲铲头的几何形状对于梳理效率、切削阻力及运输性能等都有决定性影响。因此，铲头结构参数的设计至关重要。

3.2.1 切削角δ和后角α

切削角δ是铲刀支地时齿套前面与地面间的夹角，又被称为入土角度，减小入土角度能降低切土阻力。试验表明，当δ在一定范围时，随着铲刀前方土壤厚度的增加，铲刀附近的土壤会给铲刀施加一个向下的压力，此压力可提高推土机与地面间的附着力，改善牵引性能。但是，过小的入土角度会导致铲刀的刃尖角度太小，降低铲刀的强度［2－4］。后角α是齿套后面与地平面的夹角。α一般不小于30°，否则由于地面的起伏会出现齿尖背后接地现象，从而增加摩擦阻力，降低切削能力，一般取α＝45°。切削角δ和后角α如图4所示。切削阻力与δ有关，δ越大，铲刀切削阻力就越大，但入土阻力小。结合后角α的取值，在实际设计时，一般δ取45°～65°。

图4 梳理铲切削角δ和后角α

3.2.2 铲刀宽度W

固定式推土铲的宽度比左右履带最外侧各宽出约10mm。对于回转式推土铲，要保证在其回转到极限位置时，沿推土机纵向轴线方向看去，推土铲的投影宽度仍每端比履带最外缘宽出约100mm。这种宽出量是为了保证在铲除作业过程中推土机能同时开辟前进的道路，从而保证作业质量。固定式推土铲宽度

式中：W1为履带最外缘宽度。

3.2.3 铲刀高度 H

铲刀高度由以下经验公式计算确定［5］。

式中：PK为为推土机有效牵引力，PK取0.94～1.06GS，GS为推土机的使用质量。

考虑梳理铲的实际工况，铲刀上侧需增加栅格，防止树杆、树枝等长的物体进入前机罩内，因此铲刀高度相应增大。

3.2.4 其他参数

梳理铲其他参数包括齿数n、齿杆间距b1、齿杆工作高度H1、齿杆厚度t、齿套宽度b，如图5所示。

图5 梳理铲头其他参数

梳理铲齿数n，即齿杆或齿套的数量，一般要综合考虑该推土机的工作对象、功率或牵引力而定。小型推土机梳理铲齿数多为7～10个，大中型推土机齿数多为14～18个。

齿杆间距b1直接影响作业性能，齿杆间距与齿数相对应，应根据工况及结构综合考虑，间距过大，无法起到清理较小树木、灌木丛等杂物的作用，并且梳理铲强度小；间距过小，则不易从齿间漏土，梳理效果不佳，影响工作效率。根据实际工况，一般取间距b1＝200mm。

齿杆工作高度H1是指下横梁下边缘到齿尖的距离，即实际工作中齿杆的入土切削深度，其尺寸约为齿杆总高度的30%，即H1＝30%H＝645mm。

对于焊接式齿杆，板材厚度t一般取40～50mm。齿套嵌套在齿杆上，其宽度b与齿杆板厚t直接相关，同时，设计时要综合考虑不同工况的特点、工艺成本等因素。齿套太薄，会缩短使用寿命；齿套太厚，会增大切土阻力，并增加生产成本。一般工况时b＝1.6t＝1.6×45＝72mm。

综上所述，某大型推土机梳理铲主要参数如表1所示。

表1 梳理铲主要参数汇总

3.3 梳理铲三维模型

设计完成后用Creo软件建立的梳理铲三维模型如图6所示。

图6 梳理铲三维模型

3.4 梳理铲铲刀材料的选择

与普通的推土铲一样，梳理铲的推杆方盒和铲头框架等焊接结构件一般选用Q235A、Q345A、Q460C等普通碳钢材料，这些材料不但能保证整体强度的需求，具有良好的可焊接性，而且方便购买［6］。

焊接式齿杆多选用耐磨性能好的NM360、NM400等高强钢板材料，该材料特点是抗拉强度高、耐磨性好且焊接性能良好；装配式齿杆多为铸件或锻造件，齿尖部位往往不需要镶嵌齿套，因此多采用含硼的合金淬透性钢，如31Si2CrMoB，这类材料淬透性好，材料热处理后的硬度高，耐磨性能高，抗冲击性能好。

齿套设计时需要考虑方便更换，可采用NM360钢板焊接，该材料强度及耐磨性高，焊接性能好，综合成本相对较低。作业前，用户可准备一定数量的齿套，以便损坏时及时更换，不至影响正常作业。

4 梳理铲试制产品验证

将梳理铲试制产品装配到整机进行作业验证，其梳理效果良好，满足用户的使用要求，受到了客户一致好评。梳理铲的成功研制，扩展了推土机的适用工况范围，增加了推土机的卖点。

5 结 语

梳理铲作为应用于特殊工况的铲刀，设计参数并无现成规律而循，笔者基于多年设计经验并通过试验获得参数取值。样机试验证明，梳理铲梳理效果明显，能满足用户的作业需求。

推土机梳理铲的设计在考虑文中所述结构设计、参数选择的同时，还应就各连接部位的受力情况、结构设计的工艺性、铲头上部护栅密度等问题综合考虑。只有充分考虑推土机作业时的各种工况，结合推土机自身的特点，才能设计出适合实际作业需求的产品。本文提供的设计理念可为同类产品的设计提供借鉴依据和开发思路。