推土机铲刀侧倾机构分析与简化

张照奇/ZHANG Zhao-qi

（山推工程机械股份有限公司，山东 济宁 272073）

推土机铲刀提升运动机构相对比较简单，把铲刀、推杆和斜支撑等当成一个整体，提升油缸的伸缩引起铲刀上升下降运动。侧倾则相对复杂，推土机刀板侧倾机构[1]中对铲刀、推杆和倾斜油缸等进行自由度分析，需要增加一个能够补偿铲刀左右摆动的机构，才能使铲刀能够自由提升和侧倾，文中对数十种侧倾补偿机构进行自由度分析，并提出了比较先进的直通杆式补偿机构。但很少有文章对补偿机构的运动轨迹及过程进行分析，本文以某大功率推土机为例，运用软件进行补偿机构运动过程分析，并提出改进方案。

1 铲刀补偿机构中心支座位移分析

实际铲刀结构形状(图1)和简化机构（图2）。侧倾运动过程为A点和B点不动，油缸EM长度变化，导致铲刀倾斜，具体可以参考上海320推土机刀板侧倾机构的运动分析[2]。

为了详细分析补偿机构的运动过程，将所有部件进行三维造型，在PROE中对所有运动副、尺寸、材料等建模，中心支座IOR与刀板运动副关系为销轴连接，轴向移动量按照支座与外档安装间隙实际布置（间隙设置为-1，1）。当左倾斜油缸伸长到110mm（0，260）然后固定，右倾斜油缸行程（0，260）为自变量，以中心支座IOR沿Y轴的位移量为因变量，右油缸行程0～260过程中中心支座位Y向位移曲线如图3所示。当试着把中心支座IOR轴向移动量设置为（-10，10），同样条件下，中心支座IOR相对铲刀中心的位移量变化曲线如图4所示，实际左右移动差可达到10.7mm。从结果可以看到间隙（-1，1）限制了中心支座IOR的左右移动。通过对比可以看到如果中心支座左右移动间隙限制为（-1，1），则左右斜支撑会受到机械内部本身的压应力或拉应力。

图1 铲刀三维造型

图2 推土铲机构简图

图3 间隙（-1，1）时支座位移

图4 间隙（-10，10）时支座位移

2 中心支座与左右斜支撑交点轨迹

为详细分析此中心支座的运动轨迹和受力过程，需要模拟实际左右斜支撑（RQ和OP）轨迹与中心支座交点O和R的运动过程，来分析是否有内应力。左右斜支撑（RQ和OP）与左右顶推梁（AD和BC）机构连接方式为球铰连接，当左倾斜油缸FN行程固定，EM油缸运动时，油缸行程变化会引起所有机构轨迹变化。假设P点为静止点，则O点为绕P点做球面运动，同样R点为绕Q点做球面运动，而R点和O点又为绕轴CD做圆周运动，在运动过程中每个球面与对应圆周持续有交点。

将左右斜支撑（RQ和OP）与O点、R点的球面副解除。按照上述方法一个圆周线一个球面范围交点即为O点和R点实际运动轨迹。解除O点和R点运动副后，建立相应实际运动轨迹图，然后运用PROE中机构运动模块，执行左倾斜油缸伸到最长时，右倾斜油缸从最长缩到最短时过程中得到球面与圆周交点虚拟运动交点O′点和P′的运动轨迹，通过比较,O′点和P′的X方向差值，可以得到X方向差值曲线如图5所示。

从差值曲线可以看出，当解除O点和R点的运动副时，两点O′点和P′在X方向差值会达到12mm，而实际两点为一体并与直线CD平行，不应该在X方向有差值。所以如果运动过程没有运动副间隙补偿等，会产生结构内应力，对铲刀补偿机构造成破坏。

图5 O′点和P′点的X方向差值

3 补偿机构简化

为减少这种内应力，需要对整体机构自由度进行分析。铲刀倾斜为多闭环空间机构，中间还有局部自由度等其它约束，计算自由度相对复杂。本文在取消中间补偿机构、左右倾斜油缸为某固定位置时对整体机构进行简化。简化过程：当FN为固定值时，FNC三点可以确定一个平面，BCFN为钢体，BCFN相对铲刀平面CDEF只有绕Y和Z两个方向的旋转自由度，油缸FN为固定行程，无法绕Z轴旋转，所以只有绕Y轴旋转的自由度。同样右侧ADEM平面当油缸EM为固定行程时，也只有绕Y轴旋转的自由度。整体机构简化得到图6所示单链空间自由度。

图6 简化后单链空间自由度

这种单链空间自由度可以根据空间通用自由度计算公式F=6n-5p1-4p2-3p3-2p4-p5[3]

即自由度F=6×3-2×5-2×3=2

此时两个自由度为整体绕AB轴旋转的自由度和前刀板CDEF绕Z轴旋转的自由度。绕AB轴旋转的自由度通过提升油缸进行限制，而绕Z轴旋转的自由度通过补偿机构可以限制，补偿机构可以简化为在ABCD平面内一个斜支撑即可，具体如图7所示，K点为球铰，L点为圆柱副，这样即可以限制左右摆自由度又可以自由地倾斜。

图7 简化补偿机构

4 结语

本文针对推土机铲刀补偿机构进行运动分析，主要对倾斜油缸工作过程中中心支座的位置进行过程模拟，分析发生内应力的原因，并对整体复杂多闭环机构空间自由度进行简化，提出一种简单可操作、无内应力推土铲侧倾机构，这种机构无需用结构件装配间隙来补偿工作过程，无自由度问题。