推土機鏟刀側傾機構分析與簡化

張照奇/ZHANG Zhao-qi

（山推工程機械股份有限公司，山東 濟寧 272073）

推土機鏟刀提升運動機構相對比較簡單，把鏟刀、推桿和斜支撐等當成一個整體，提升油缸的伸縮引起鏟刀上升下降運動。側傾則相對復雜，推土機刀板側傾機構[1]中對鏟刀、推桿和傾斜油缸等進行自由度分析，需要增加一個能夠補償鏟刀左右擺動的機構，才能使鏟刀能夠自由提升和側傾，文中對數十種側傾補償機構進行自由度分析，并提出了比較先進的直通桿式補償機構。但很少有文章對補償機構的運動軌跡及過程進行分析，本文以某大功率推土機為例，運用軟件進行補償機構運動過程分析，并提出改進方案。

1 鏟刀補償機構中心支座位移分析

實際鏟刀結構形狀(圖1)和簡化機構（圖2）。側傾運動過程為A點和B點不動，油缸EM長度變化，導致鏟刀傾斜，具體可以參考上海320推土機刀板側傾機構的運動分析[2]。

為了詳細分析補償機構的運動過程，將所有部件進行三維造型，在PROE中對所有運動副、尺寸、材料等建模，中心支座IOR與刀板運動副關系為銷軸連接，軸向移動量按照支座與外檔安裝間隙實際布置（間隙設置為-1，1）。當左傾斜油缸伸長到110mm（0，260）然后固定，右傾斜油缸行程（0，260）為自變量，以中心支座IOR沿Y軸的位移量為因變量，右油缸行程0～260過程中中心支座位Y向位移曲線如圖3所示。當試著把中心支座IOR軸向移動量設置為（-10，10），同樣條件下，中心支座IOR相對鏟刀中心的位移量變化曲線如圖4所示，實際左右移動差可達到10.7mm。從結果可以看到間隙（-1，1）限制了中心支座IOR的左右移動。通過對比可以看到如果中心支座左右移動間隙限制為（-1，1），則左右斜支撐會受到機械內部本身的壓應力或拉應力。

圖1 鏟刀三維造型

圖2 推土鏟機構簡圖

圖3 間隙（-1，1）時支座位移

圖4 間隙（-10，10）時支座位移

2 中心支座與左右斜支撐交點軌跡

為詳細分析此中心支座的運動軌跡和受力過程，需要模擬實際左右斜支撐（RQ和OP）軌跡與中心支座交點O和R的運動過程，來分析是否有內應力。左右斜支撐（RQ和OP）與左右頂推梁（AD和BC）機構連接方式為球鉸連接，當左傾斜油缸FN行程固定，EM油缸運動時，油缸行程變化會引起所有機構軌跡變化。假設P點為靜止點，則O點為繞P點做球面運動，同樣R點為繞Q點做球面運動，而R點和O點又為繞軸CD做圓周運動，在運動過程中每個球面與對應圓周持續有交點。

將左右斜支撐（RQ和OP）與O點、R點的球面副解除。按照上述方法一個圓周線一個球面范圍交點即為O點和R點實際運動軌跡。解除O點和R點運動副后，建立相應實際運動軌跡圖，然后運用PROE中機構運動模塊，執行左傾斜油缸伸到最長時，右傾斜油缸從最長縮到最短時過程中得到球面與圓周交點虛擬運動交點O′點和P′的運動軌跡，通過比較,O′點和P′的X方向差值，可以得到X方向差值曲線如圖5所示。

從差值曲線可以看出，當解除O點和R點的運動副時，兩點O′點和P′在X方向差值會達到12mm，而實際兩點為一體并與直線CD平行，不應該在X方向有差值。所以如果運動過程沒有運動副間隙補償等，會產生結構內應力，對鏟刀補償機構造成破壞。

圖5 O′點和P′點的X方向差值

3 補償機構簡化

為減少這種內應力，需要對整體機構自由度進行分析。鏟刀傾斜為多閉環空間機構，中間還有局部自由度等其它約束，計算自由度相對復雜。本文在取消中間補償機構、左右傾斜油缸為某固定位置時對整體機構進行簡化。簡化過程：當FN為固定值時，FNC三點可以確定一個平面，BCFN為鋼體，BCFN相對鏟刀平面CDEF只有繞Y和Z兩個方向的旋轉自由度，油缸FN為固定行程，無法繞Z軸旋轉，所以只有繞Y軸旋轉的自由度。同樣右側ADEM平面當油缸EM為固定行程時，也只有繞Y軸旋轉的自由度。整體機構簡化得到圖6所示單鏈空間自由度。

圖6 簡化后單鏈空間自由度

這種單鏈空間自由度可以根據空間通用自由度計算公式F=6n-5p1-4p2-3p3-2p4-p5[3]

即自由度F=6×3-2×5-2×3=2

此時兩個自由度為整體繞AB軸旋轉的自由度和前刀板CDEF繞Z軸旋轉的自由度。繞AB軸旋轉的自由度通過提升油缸進行限制，而繞Z軸旋轉的自由度通過補償機構可以限制，補償機構可以簡化為在ABCD平面內一個斜支撐即可，具體如圖7所示，K點為球鉸，L點為圓柱副，這樣即可以限制左右擺自由度又可以自由地傾斜。

圖7 簡化補償機構

4 結語

本文針對推土機鏟刀補償機構進行運動分析，主要對傾斜油缸工作過程中中心支座的位置進行過程模擬，分析發生內應力的原因，并對整體復雜多閉環機構空間自由度進行簡化，提出一種簡單可操作、無內應力推土鏟側傾機構，這種機構無需用結構件裝配間隙來補償工作過程，無自由度問題。