李曉旺，鞠長清，李華強(qiáng)

(1.內(nèi)蒙古仲泰能源有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

0 引言

松土器是推土機(jī)工作裝置的一種，它懸掛在推土機(jī)的后橋殼體上，作為輔助工作裝置主要用于松土作業(yè)，不僅用于煤礦、鹽礦、礫石、堅(jiān)硬巖石作業(yè)面的剝離，也可用于硬化凍土、黏土等土層的松軟。隨著現(xiàn)代煤礦等土方工程的機(jī)械化和推土機(jī)的大型化，推土機(jī)松土器的使用也越來越普遍，甚至可部分代替鉆孔爆破施工。本文對推土機(jī)松土器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)和動力學(xué)分析。

1 原松土器結(jié)構(gòu)分析

D11T推土機(jī)松土器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由支撐架、橫梁、松土齒、兩個傾斜缸和提升缸組成，連接方式為銷連接。該裝置通過傾斜缸來改變松土角達(dá)到適合的工作位置，由提升缸來調(diào)節(jié)松土深度。

1-橫梁；2-松土齒；3-銷子；4-提升缸；5-支撐架；6-后橋殼體；7-傾斜缸

原裝置普遍存在以下問題：

(1)松土齒調(diào)整安裝不方便。原松土齒是通過輔助液壓缸推動壓桿連接銷，與橫梁和松土齒銷孔定位安裝。安裝時，由于構(gòu)件自重較大，安裝調(diào)整不方便。

(2)松土齒伸縮不能任意調(diào)節(jié)。原松土齒伸縮只能根據(jù)松土齒上孔距進(jìn)行調(diào)節(jié)，而在該裝置工作過程中，當(dāng)對高處煤層或巖石進(jìn)行破碎和挖掘時，需縮短松土齒；對地面以下煤層或巖石進(jìn)行作業(yè)時，要求松土齒伸長；有時需在松土過程中不斷調(diào)節(jié)挖掘深度，要求裝置能實(shí)時調(diào)節(jié)齒的伸縮量?？傊赏笼X伸縮在很大程度上給工作和操作人員帶來不便，需對該裝置進(jìn)行合理改進(jìn)，擴(kuò)大其有效工作范圍和使用靈活性，滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

2 改進(jìn)裝置分析

2.1 改進(jìn)后結(jié)構(gòu)

通過分析實(shí)際需求，將原裝置松土齒銷孔連接改成調(diào)整缸的升降方式，如圖2所示。將調(diào)整缸活塞桿端與松土齒頂部銷孔連接，通過橫梁上底座固定調(diào)整缸，由調(diào)整缸實(shí)現(xiàn)對松土齒的自由伸縮。松土齒在工作時容易晃動，調(diào)整缸選擇耳軸式液壓缸，避免損壞調(diào)整缸。

通過改進(jìn)連接結(jié)構(gòu)，在調(diào)整缸的帶動下，松土齒可以在橫梁中自由伸縮，實(shí)現(xiàn)松土齒伸縮實(shí)時調(diào)整，解決了原裝置存在的問題。

2.2 松土器運(yùn)動學(xué)分析

根據(jù)原松土器提升缸、傾斜缸結(jié)構(gòu)尺寸和松土齒調(diào)整尺寸，理論分析松土器最大挖掘深度和松土軌跡包絡(luò)線，提升缸的伸縮量為610 mm，傾斜缸的伸縮量為830 mm，調(diào)整缸的伸縮量為860 mm。

利用ADAMS軟件在改進(jìn)的松土器模型所有轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)處添加轉(zhuǎn)動副，在提升缸、傾斜缸和調(diào)整缸的缸筒與活塞桿之間添加移動副。

1-橫梁；2-松土齒；3-支撐架；4-后橋殼體；5-傾斜缸；6-支座；7-耳子；8-調(diào)整缸；9-提升缸

對提升缸、傾斜缸和調(diào)整缸編輯器添加相應(yīng)位移控制參數(shù)。提升缸位移參數(shù)為：step(time,0,0,8,610)-step(time,12,0,16,350)。傾斜缸位移參數(shù)為：step(time,8,0,12,-830)+step(time,16,0,20,830)。調(diào)整缸位移參數(shù)為：step(time,0,0,3,860)。

圖3為松土齒齒尖軌跡包絡(luò)線，運(yùn)動的整個過程為：從最高提升位置開始下降，提升缸和調(diào)整缸同時輸出，當(dāng)調(diào)整缸伸出達(dá)到最大860 mm之后，松土齒齒尖到達(dá)A點(diǎn)，開始松土；當(dāng)提升缸行程達(dá)到610 mm，齒尖到達(dá)B點(diǎn)，完成入土深度；此后傾斜缸完全輸出至830 mm，齒尖到達(dá)C點(diǎn)，完成刨土；最后提升缸返程運(yùn)行350 mm，齒尖到達(dá)D點(diǎn)，松土器完成一個周期松土任務(wù)。當(dāng)傾斜缸完全收回，齒尖又回到A點(diǎn)，整個過程最大松土深度達(dá)到了870 mm，橫向?qū)挾茸畲筮_(dá)到655 mm。因該松土器是在推土機(jī)上安裝工作的，橫向?qū)挾戎皇峭仆翙C(jī)靜止時的松土器理論值，最大松土深度才是松土器的重要性能指標(biāo)。

2.3 松土器動力學(xué)分析

利用ADAMS軟件對松土器挖掘力進(jìn)行分析，推土機(jī)液壓溢流壓力為32 MPa，在分析過程中傾斜缸始終不作用，根據(jù)松土器提升缸活塞尺寸，計(jì)算系統(tǒng)最大壓力下松土齒對物體的作用力，也就是齒尖接觸物體時的最大破碎力，這是松土器設(shè)計(jì)的一個重要指標(biāo)。

根據(jù)調(diào)整缸伸出長度不同，得出的松土齒對地面的作用力分別如圖4～圖12所示。

圖7 調(diào)整缸伸出350 mm時松土器的地面接觸力 圖8 調(diào)整缸伸出450 mm時松土器的地面接觸力 圖9 調(diào)整缸伸出550 mm時松土器的地面接觸力

圖10 調(diào)整缸伸出650 mm時松土器的地面接觸力 圖11 調(diào)整缸伸出750 mm時松土器的地面接觸力 圖12 調(diào)整缸伸出850 mm時松土器的地面接觸力

從圖4～圖12中可以看出，松土齒與地面剛接觸時有一個很大的碰撞力產(chǎn)生，之后松土齒和地面完全接觸，接觸作用力逐漸增加，從分析得到的數(shù)值上很明顯地看到，松土齒對地面的作用力很大，實(shí)際作業(yè)對象尤其是在鵝卵石、含有冰的各種巖石和煤層、結(jié)塊變硬的鹽礦等堅(jiān)硬的工作區(qū)域的鏟除，均可以很輕松地將地表面土層或巖石層破壞，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步對作業(yè)對象的深入挖掘。

將上述9次的松土齒伸出量與接觸作用力統(tǒng)計(jì)于表1中。

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，松土齒在不同的伸出量作用下，齒尖與地面的接觸力不同，基本趨勢為伸出量越大，松土齒對地面的作用力就越大。

表1 松土齒伸出量與接觸作用力

3 松土齒伸出量與地面接觸力關(guān)系分析

為進(jìn)一步明確松土齒伸長量與接觸作用力之間的關(guān)系，下面利用MATLAB軟件進(jìn)行分析。

在MATLAB軟件中使用樣條插值法，繪制出松土齒伸出量與地面接觸力之間的擬合曲線,描述系統(tǒng)壓力恒定的情況下，松土齒伸出長度不同時地面接觸力的變化情況。編制程序如下：

lz=[96314 96369 96933 97761 99281 99317 99719 97311 96996];%接觸力值

cd=[50 150 250 350 450 550 650 750 850];%伸出量

p1=polyfit(cd,lz,2);p2=polyfit(cd,lz,3);%擬合2次方和3次方

y1=polyval(p1,cd);y2=polyval(p2,cd);%擬合2次方和3次方函數(shù)系數(shù)

X1=50:850;

Y1=spline(cd,y1,X1)

Y2=spline(cd,y2,X1)

plot(cd,lz,X1,Y1,X1,Y2)%生成松土齒伸出量與地面接觸力圖像

依據(jù)上述程序生成如圖13所示曲線，分析所得數(shù)據(jù)和曲線可知：松土齒伸出的長度不同，齒尖與地面的接觸力不同，根據(jù)擬合的2次方接觸力函數(shù)和3次方接觸力函數(shù)可知，接觸力都呈現(xiàn)最大值峰值，近似為拋物線形狀。

圖13 松土齒伸出量與地面接觸力關(guān)系曲線

分析其結(jié)構(gòu):松土齒伸出長度不同，提升缸的作用力臂和地面接觸力力臂也在變化。該松土器伸出量為650 mm左右時提升缸與支撐架在后橋殼體上的連接中心線與提升缸垂直，即作用力臂達(dá)到最大，此時松土器對地面的破碎力最大。

4 小結(jié)

(1)通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)，在調(diào)整缸的帶動下，松土齒可以在橫梁中自由伸縮，實(shí)現(xiàn)松土齒伸縮實(shí)時調(diào)整，解決了原裝置存在的問題。

(2)對改進(jìn)模型在ADAMS軟件中仿真得到齒尖運(yùn)動的包絡(luò)線，驗(yàn)證其松土深度和提升高度，得到其空間運(yùn)動軌跡。

(3)基于ADAMS軟件對其在強(qiáng)制入土工況下松土齒不同伸長量時對地面作用力進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明，松土齒的伸長量與對地面作用力的關(guān)系近似為拋物線形狀。