大功率推土机U型铲设计

（山推工程机械股份有限公司，山东 济宁 272073）

推土机是使用较为广泛的土石方转运机械，主要应用于大型煤矿、采石场、建筑、水利工程等大型项目。经过多年的实际使用，推土机生产厂家开发出了多种型式的铲刀，归纳起来主要有角铲、直倾铲以及半U 铲/U 铲。中大功率的推土机主要适配半U 铲或U 铲。中大功率推土机适配的U 铲需根据推土机功率、整机工作重量确定其铲刀容量等各项技术参数，其中铲刀容量也受施工工况影响。

1 推土铲的种类及U铲安装型式

1.1 推土铲的种类

根据工况和输出功率的不同，推土机主要适配角铲、直倾铲及半U 铲。角铲容量较小主要用于场地平整，适配小功率推土机。直倾铲的切削力较大，适用于硬质工况，因其两侧漏土严重不适用大功率推土机。半U 铲主要适配大功率推土机，其铲容量大，具有强大的集土运土能力，生产率高；虽切削力略有降低，大功率推土机重量大，功率高，动力强劲，并标配松土器，对于硬质工况可先使用松土器松土后在进行土石方转运。因此对于推土铲的选取需要根据实际工况以及推土机整机功率考虑。为了提高推土机的生产率可开发一款更大容量的推土铲来适配相应工况。

1.2 U型铲的结构型式

在同功率段上U 型铲比半U 铲容量更大。为提高推土机的生产率开发了U 型铲，保证铲刀的通用性，半U 铲与U 铲各安装绞点保持一致。该大功率推土机用U 型铲具有调节铲刀入土角度的功能，可根据不同工况调节铲刀刀角的入土深度，分为单倾斜和双倾斜。单倾斜为保持一侧倾斜油缸不同使另一侧油缸动作完成倾斜的调整；双倾斜为两侧倾斜油缸同时动作且方向相反，能够增大刀角的调节范围，可根据不同工况进行调节。图1 为U 型铲结构及安装型式。

图1 U型铲结构及安装型式

2 U型铲参数的设计

2.1 铲刀容量的设计

铲刀容量是推土机的一项重要技术指标，其容量V主要与整机重量、发动机净功率以及土壤的密实度有关。推土机的作业过程由铲土、运土、回程三部分组成，利用运土过程来分析整机重量、发动机净功率及土壤的密实度与铲刀容量的匹配。

铲刀容量与推土机生产率的匹配计算如式（1)

式中NT——推土机铲掘运输土壤的牵引功率，kW；

VF——铲土、运土行程速度，km/h；

tF——推土机推土行程所需时间，s；

C——比例系数；

Kt——时间利用系数，Kt=0.85～0.9；

Kl——土壤漏损系数，Kl=0.7～0.95（粘性土壤）；

Kp——坡度影响系数，Kp=0.5～1.0；

T——作业循环时间，s。

若取运距l=20m；某大功率推土机额定作业速度VF=1.5km/h，容量公式可简化为式（2)

式中C——比例系数，C=1/1000；

NT——净功率，kW。

通过上式可对对铲刀容量和机械牵引功率进行初步匹配计算。

2.2 铲刀重量的设计

推土铲作为推土机的首要工作装置，其安装在推土机前侧；其重量对推土机行走稳定性及生产效率有较大影响。首先如果推土铲过重会造成整机重心靠前，容易造成翘尾，特别是在后退档上坡时翘尾更为严重，会导致整机设备稳定性不高；若推土铲重量过轻，在推土铲入土时切入力不足影响生产效率。根据大功率推土铲以往设计经验其总重量取整机重量（不包括松土器）10%～15%[1]。

2.3 U型铲高度的设计

图2 为U 型铲外形尺寸。推土铲高度具体指铲刀支地，沿地面垂直方向向上测量出铲刀高称为推土铲高度Hg，Hg可根据其经验公式确定[2]

式中PH——推土机额定有效牵引力，kN。

图2 U型铲外形尺寸

2.4 U型铲宽度设计

推土铲安装在整机前侧，必须具备自身开辟道路的能力，因此推土铲宽度Bg必须大于其整机宽度外沿，可根据经验公式确定[3]

2.5 U型铲曲率半径的设计

U 型铲的曲率半径Rg是铲刀的重要参数之一，直接影响推土机的作业性能。Rg主要取决于是否能将铲刀内的土石方顺利向前翻转，防止溢出铲刀顶部；另外要尽量减小土石方在铲刀内的上升阻力及确保卸土干净。综合以上影响因素可确定U 型铲曲率半径Rg与其高度Hg的关系为Rg=（0.8～0.9)Hg。

2.6 两侧推土板与中间推土板夹角α设计

由土槽切削试验可知α越小土的侧移阻力越大，受到U 铲的容量的限制α不能过小，α的计算公式一般按式（5)得出

式中φ——水平面内推土板与推土机纵轴线的夹角，φ=60°～90°。

3 U型铲优化分析

3.1 铲刀容量校核

根据国家标准推土铲容量的校核计算方法是假设推土铲的表面是垂直直板。推土铲处于前后倾角的中间位置，切削角置于基准地平面上，推土铲向垂直地面且过推土铲中间切削刃平行平面投影的面积[4]。图3 为容量计算示意尺寸图。

为了计算U 型铲容量，简化U 型铲为Bg和Hg包容的垂直平面。U 型铲容量校核按式（6)计算

3.2 U型铲结构优化分析

图3 容量计算示意尺寸图

根据设计参数完成某大功率推土机适配的U型铲设计，根据国标容量公式对容量进行校核，与设定值基本保持一致。利用仿真软件对铲刀结构进行优化分析，结果如表1 所示。

表1 典型工况负载冲击

1）正载冲击工况分析（图4） 此工况下，应力较大区域主要集中在左托架附近位置，其中应力最大处在左侧立板下部，最大应力为111MPa。

图4 正载冲击

2）偏载冲击工况分析（图5） 此工况下，应力较大区域主要集中在左托架附近位置，其中应力最大处在左侧立板下部，最大应力为383MPa。

图5 偏载冲击

针对铲刀左右立板下部应力较高的问题，在铲刀左右两托架处给增加两处筋板，上部托架处各增加一处筋板（图6）。增加筋板后与原结构应力对比正载冲击由111MPa 降低至82MPa，偏载冲击由383MPa 降低至260MPa。

图6 U型铲增加筋板

4 结论

U 型铲主要依据推土机功率和工况进行设计，初步确定铲刀的容量、重量、外形尺寸等参数，并通过模型数据分析及验证优化各项参数。另外应确保与其他型式铲刀安装绞点一致，保证不同型式推土铲的通用性，根据实际工况选配不同推土铲。因工况复杂多变，并未发布U 型铲相应的设计标准及规范，其各主要参数主要依据经验和实际工况总结得出，本文提供了U 型铲各项技术参数的设计方法和思路。