不同路面工況下履帶推土機工作狀態分析

摘要：為掌握不同路面工況下推土機的動力特性，對大功率推土機在干砂和黏土兩種路面工況下的工作狀態進行了模擬分析。結果表明：干砂路面相較于黏土路面，會給推土機帶來更大的工作阻力，從而造成質心偏移量增大，接地長度減小，驅動力矩波動范圍大等問題。而黏土工況下，更容易造成推土機滑轉率增大，導致推土機在低工作阻力時就需要開啟末端驅動系統提供動力。在實際道路施工過程中，有必要根據不同路面狀況調整推土機的質心位置，從而維持其工作穩定性。

關鍵詞：推土機;干砂路面;黏土路面;動力特性;工作狀態

0" "引言

推土機是公路工程建設中必不可少的一種重要機械，主要用于推移積土、填土、開渠、清理場地等各種作業[1-2]。不同地區進行道路建設施工會遇到不同的路面情況，不同的路面工況又會對推土機的動力特性產生影響，從而造成推土機在不同路面工況下出現動力特性不匹配問題，導致推土機不能維持工作穩定性[3]。因此，有必要對不同路面工況下推土機的動力負載特性進行分析，掌握不同路面狀況下推土機的最佳工作參數，從而為現場實際施工提供指導。

1" "推土機簡介

道路工程中常用的大功率履帶式推土機主要由推土鏟、提升缸、燃油箱、履帶、鏈輪、臺車架、托輪、引導輪等結構組成[4-5]。為便于建模分析，本文將推土機劃分為四個系統：車體系統、鏟刀系統、行走系統以及末端傳動系統。

2" "工況設計

采用CATIA軟件構建推土機模型[6]，并將其導入Recur Dyn多體動力學軟件[7]中，對不同路面工況下的推土機動力特性進行分析。在建模過程中，以D320E型電傳動推土機為分析對象。該型推土機整機質量30t，軌距為2130mm，軸距為3152mm，履帶板寬度為560mm，質心位置為1925.5mm、310mm、-1070mm。

3" "試驗結果分析

3.1" "質心偏移隨工作阻力的變化

不同路面工況下推土機質心偏移量隨工作阻力的變化特征見圖1。從圖1中可知：隨著工作阻力的增加，干砂路面和黏土路面工況下推土機的質心偏移量，均呈逐漸增大的變化特征。這是因為推土機在作業過程中，鏟刀內聚集的土壤顆粒越來越多，質量越來越大，導致推土機的質心會向推土機的前方發生偏移。

在干砂路面下，推土機的工作阻力從0上升至218kN，質心偏移量從0增加至1141mm。而在黏土路面下，推土機的工作阻力從0上升至141kN，質心偏移量從0增加至788mm。相同工作阻力下，干砂路面的質心偏移量稍大于黏土路面。這主要是因為相同工作阻力下，干砂路面的切土深度更大，因而質心偏移量更大。

3.2" "滑轉率隨工作阻力變化

不同路面工況下，推土機質心偏移量隨工作阻力的變化特征見圖2。從圖2中可知：隨著工作阻力的增大，干砂和黏土路面工況下的滑轉率呈逐漸增大的變化趨勢，且增長速率越來越快。這是因為切土深度增大后，工作阻力增加，推土機的質心前移，導致推土機履帶受力發生變化，更容易出現應力集中現象。后方履帶則可能出現懸空現象，因而滑轉率會逐漸增大。相同工作阻力下，黏土的滑轉率明顯大于干砂。這主要是干砂與黏土的路面性質決定的，干砂路面的附著力更大，履帶更不易打滑，因而滑轉率更低。

在道路路面施工中，當推土機滑轉率達到7%以后，推土機的動力和扭矩已達到最大值（推土機已不能前行）。此時就需要對推土機提供額外的驅動力，此驅動力由電機傳到推土機的末端系統中，再通過末端系統傳遞至驅動輪，從而帶動履帶繼續向前移動。

從模擬結果可以看出，在干砂路面下當工作阻力達到215kN左右時，推土機滑轉率達到7%;在黏土路面下當工作阻力為132kN左右時，滑轉率便已經達到7%的最大滑轉率，此時需要啟動末端驅動系統提供動力。因此在干砂路面下推土機的工作效率明顯高于黏土路面。

3.3" "切土深度對接地長度和接地比壓影響

不同路面工況下，推土機接地長度和接地比壓隨切土深度的變化特征見圖3。從圖3中可知：隨著切土深度的增加，推土機的接地長度逐漸減小，而最大接地比壓逐漸增大，即推土機推的土量越多，履帶的接地長度逐漸變短，履帶單位面積所承受的壓力越大。這是因為工作阻力與切土深度呈正相關，切土深度越大，工作阻力越大，推土機質心偏移量越大，嚴重時會導致推土機出現翹尾現象。履帶的接地長度減少，整機質量會遷移到履帶前端，導致應力集中。

相同切土深度下，砂土中的履帶接地長度明顯小于在黏土路面上的接地長度。干砂路面上推土機的接地長度對切土深度的敏感性，遠大于在黏土路面上的敏感性。當切土深度從0增大至560mm時，干砂路面上接地長度變化范圍從3676mm下降至1380mm，黏土路面上從3813mm下降至3617mm。這說明在黏土路面下，推土機的翹尾現象不明顯，而在干砂路面上十分明顯。這主要是因為兩種路面的土壤重度、濕度和粘聚力等相差較大。在干砂路面上，推土機的鏟刀所受的切土阻力更大，導致其工作阻力更大，因而翹尾現象更明顯。

3.4" "驅動力矩隨時間的變化

不同路面工況下推土機驅動力矩隨時間的變化特征見圖4。當推土機滑轉率達到7%以后，就需要開啟末端驅動系統提供動力。此時推土機的驅動力矩會出現一定的波動變化，具體表現為：干砂路面在0～10s內波動較大，10s后逐漸趨于穩定，穩定后的驅動力矩約為2.5kN·m;黏土路面在0～5s內波動較大，5s后逐漸趨于穩定，穩定后的驅動力矩約為2.13kN·m。

從整體上來看，在干砂路面上推土機驅動力矩的波動時間更長，波動范圍更大。這主要是因為推土機在干砂路面上的工作阻力，大于在黏土路面上的工作阻力，因而驅動輪提供的驅動力矩更大，末端驅動系統所要經歷的調整時間也就越長。

4" "結語

路面工況對推土機的作業效果有直接影響。路面對推土機的工作阻力越大，質心偏移量就越大，而質心偏移又會影響推土機的工作穩定性，造成接地長度減小、驅動力矩波動范圍大等問題。為有效提升推土機的工作穩定性和作業效率，有必要根據不同的路面情況及時調整推土機的質心位置，使其質心保持在履帶接地中心附近。

參考文獻

[1] 胡愛斌.履帶式推土機電傳動系統選型及改進分析[J].工程機械與維修，2020（4）：56-58.

[2] 管建華，秦凱，張光耀.履帶式推土機底盤部件常見故障原因分析[J].工程機械與維修，2019（1）：66-68.

[3] 袁藝，蓋江濤，劉春生，等.履帶式電驅動推土機直駛穩定性研究[J].太原理工大學學報，2020，51（3）：462-470.

[4] 武占剛，李凱，孔令平.電動推土機電機動力匹配分析[J].建筑機械化，2019，40（9）：30-32.

[5] 符升平，李勝波，羅寧.某推土機作業時動力傳動效率動態匹配[J].系統仿真學報，2019，31（9）：1890-1898.

[6] 韓旭東，賈倩倩，張雨，等.基于CATIA的垂直滾筒式公交清洗小車改進設計[J].農業裝備與車輛工程，2019，57（10）：44-47.

[7] 張耀娟，成凱，劉維維.濕地推土機終傳動系統動力學仿真分析[J].北華大學學報（自然科學版），2016，17（3）：409-414.