关于装载机铲斗粘附积土清除装置的设计优化

　　摘要：关于城市建设中，装载机道路清理存在的问题，本文提出了一种用于清除铲斗斗底粘附积土的装置，阐述了装置的结构和工作原理，运用速度瞬心法对机构进行了传力性能的评判，同时为保证执行元件推土板工作可靠，对其进行了力学分析和结构设计，并通过对其表面结构改进，提高了推土板的减粘降阻能力。
　　关键字：粘土，清除，装置，推土板，减粘降阻
　　引言：
　　装载机在铲装粘性土质时，铲斗卸载时粘性土壤积附于铲斗斗底，使卸载不彻底，影响装载机的作业生产率。据统计，铲斗内粘附积土可达额定铲装量的25%，可降低作业生产率达40%。如果能在铲装过程中，及时有效地清除斗底粘附积土，追求铲斗容量的最大化，将大大提高铲装工作效率。我们在分析和总结国内外土壤粘附仿生研究的基础上，设计了减粘降阻推土板。
　　一、结构
　　在驱动铲斗相对动臂转动的四杆机构的基础上，增加一连杆和曲柄滑块机构，用以实现推土板的移动；考虑到装置安装的空间位置，在平面四杆机构的基础上增加一双滑块机构，以减少装置对铲斗本体的破坏。机构运动简图如图1所示。图中细线部分为装载机工作装置部分杆件，粗线部分为清除装置组成构件，虚线框内为双滑块机构。
　　
　　图1机构运动简图
　　二、工作原理
　　铲斗铲装物料，铲斗水平插入料堆，这时，清除装置不工作，推土板位于铲斗圆弧斗底处。当铲斗铲装完毕，铲斗逆时针转动与举升。当达到卸载高度式，铲斗顺时针转动，开始卸料。这时，清除装置开始工作，液压缸驱动活塞杆，活塞杆推动杆件1转动，通过连杆2传动后，带动由杆件3、4组成的曲柄滑块机构运动；通过增加双滑块机构，将水平运动转化为垂直运动；整体上采用空间连杆机构，又将垂直运动转化为水平运动，即推土板在铲斗内杆件作用下，沿斗底壁向外运动，直达最前位置，见图1b、c。在该过程中，推土板能有效破坏土壤与斗底壁的粘性作用，将粘土推出铲斗，达到粘土清除目的。良好的机构传动性能，是追求的目标之一。
　　在清土过程中，一方面要求推土板在推杆作用下，所受力能产生垂直底壁的分力，或所受力矩为顺时针方向，使推土板紧压斗底壁；另一方面要求推土板自身尽可能少地粘上积土。因此，使推土板压紧斗底和减少推土板粘土是设计时的基本要求。
　　三、机构传动性能的评判
　　在机构设计中,通常认为传动角越小（或压力角越大），越利于力的传递，当传动角为零（或压力角为90度），机构不能继续传动。田福祥在《正确评判机构传动性能的重要参数速度系数和传力系数及其应用》一文中指出，上述原则并不完全适用于连杆机构，并提出了评判机构传动性能参数—速度系数和传力系数，以反映机构的可动性和从动件速度的稳定性。
　　速度系数（3-1）
　　传力系数（3-2）
　　根据瞬时功率平衡原理，由式3-1和式3-2可知和互为倒数，
　　即
　　所以已知可求出，也可以直接用代替来分析机构传力状态和可动性。这里我们主要进行清除装置中四杆机构速度系数的计算，以评价机构传动性能。
　　
　　图3平面四杆机构
　　图3中驱动力矩和工作阻力矩分别作用于连架杆1和连架杆3,由式3-1、3-2可得：
　　(3-3)(3-4)
　　田福祥在文章中虽然已经给出了速度系数的计算公式，但公式较为繁琐，需要多次迭代求解，且需求出速度系数的波动范围，需两组、、，计算量较大。若运用速度瞬心法，辅以Solidworks软件中块功能求解的最大值和最小值，运算简便。
　　
　　图4速度瞬心
　　运用速度瞬心法，可以很快找到连架杆1、3的两个速度瞬心和，
　　(3-5)
　　如图4所示，运用块功能，找到在连架杆1与水平线夹角分别为和时，存在最大值和最小值，也即存在最大值和最小值。已知杆长，代入后可得：
　　=[0.625，0.772](3-6)
　　采用同样的方法，分别对偏置曲柄滑块和对心曲柄滑块机构进行速度系数的求解，可得到：
　　偏置：=[2.222，2.973]
　　对心：=[2.785，3.022]
　　结论：采用四杆机构和对心曲柄滑块组合机构时，清除装置从初始位置到终了位置区间内，变化量小，机构速度增益小，从动件在整个过程中运动平稳，机构力增益大，有利于力的传递。换言之，在原动杆件上输入一定的驱动力矩，就会在推土板上获得很大的输出力矩，即能克服很大的工作阻力矩。所以，机构传动性能较好。
　　四、推土板的优化设计
　　如二中所述分析，关于将推土板压紧斗底，可分别对方形推土板和梯形推土板进行受力分析：
　　
　　图5推土板受力分析
　　对比方形推土板受力和梯形推土板的受力分析可知，由于梯形推土板斜面的存在，使土体阻力对推土板产生垂直分力，使推土板压向斗底，提高了推土板底部与斗底壁的贴合程度，有效提高了清土的质量。
　　对推土板建立波纹表面模型，如图6中a、b所示。
　　
　　（a）（b）
　　图6铸有凸起疙瘩的推土板
　　五、结论
　　本文提出的铲斗粘附积土清除装置在结构上采用空间连杆机构，在平面四杆机构的基础上增加了双滑块机构，减小了清除装置对装载机工作装置的破坏，满足清除装置适应装载机工作装置的要求。清除装置传动性能较好，推土板运动平稳，在设计梯形结构推土板后，建立了推土板波纹表面模型，有效地提高了推土板减粘降阻能力，防止推土板工作中发生粘土现象，增强了实用性。
　　参考文献
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　　[6](苏)“关于挖掘机铲斗的粘土现象及其减少的方法”.国外工程机械.1981（3）

《关于装载机铲斗粘附积土清除装置的设计优化》

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