履带式推土机的原理及应用.docx

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履带式推土机的原理及应用

道路施工机械化

履带式推土机的原理及应用

机械设计制造及自动化X班

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20107999

履带式推土机的原理及应用

推土机是土方工程机械的一种主要机械，按行走方式分为履带式和轮胎式两种.因为轮胎式推土机较少。

主要介绍履带式推土机的工作原理及应用。

功率大于120KW的履带式推土机中，绝大多数采用液力-机械传动。

这类推土机来源于引进日本小松制作所的D155型、D85型、D65型三种基本型推土机制造技术。

国产化后，定型为TY320型、TY220型、TY160型基本型推土机。

为了满足用户各种使用工作况的需求，我国推土机生产厂家在以上三个基本型推土机的基础上，拓展了产品品种，形成了三种系列的推土机。

TY220型推土机系列产品，包括TSY220型湿地推土机、TMY220型沙漠推土机、TYG220型高原推土机、TY220F型森林伐木型推土机、TSY220H型环卫推土机和DG45型吊管机等。

TY320型和TY160型系列推土机也在拓展类似的系列产品。

TY160系列中还有TSY160L型超湿地推土机和TBY160型推扒机等。

推土机产品种的开发拓展，既要满足不同工况条件的工作适应性，又必须与基本型保持最大限度的零部件通用性（或称互换性），这就为广大用户使用维修带来极大的方便。

为方便用户购买配件，生产厂都保留了日本小松公司的零部件编号，只有改型中自行设计的零部件，才冠以自己厂家的编号。

履带式推土机主要由发动机、传动系统、工作装置、电气部分、驾驶室和机罩等组成。

其中，机械及液压传动系统又包括液力变矩器、联轴器总成、行星齿轮式动力换挡变速器、中央传动、转向离合器和转向制动器、终传动和行走系统等。

动力输出机构（PTO）10以齿轮传动和花键连接的方式带动工作装置液压系统中工作泵P1、变速变矩液压系统变速泵P2、转向制动液压系统转向泵P3；链轮8代表二级直齿齿轮传动的终传动机构（包括左和右终传动总成）；履带板9包括履带总成、台车架和悬挂装置总成在内的行走系统。

本文将重点介绍上述传动系统中的液力变矩器、行星齿轮式动力换挡变速器、转向离合器和转向制动器的结构、工作原理及其液压系统的故障及排除。

国产102KW以下的推土机，如T140型、T120型、T70型等小功率推土机，其传动系统的型式都是机械传动的，包括离合器和机械变速器等。

这类推土机在我国产销量也较大；其结构较为简单，生产年代较早，使用单位较熟悉，使用维修也比较容易。

一、总体结构

图1-1示出了履带式推土机和轮胎式推土机的外貌。

推土机不论是履带式还是轮胎式，都由发动机、传动系统、行走装置、工作装置和操纵控制系统等5部分组成。

1.传动系统

传动系统的作用是将发动机的动力传递给履带或车轮，是推土机具有足够的牵引力和合适的工作速度。

履带式推土机的传动系统多采用机械传动和机械传动；轮胎式推土机的传动系统多为液力机械传动。

（1）履带推土机的机械式传动系统布置

以国产TY180型推土机为例，该机采用机械式传动系统，动力装置采用才有机铲刀操纵方式为液压式。

机械传动系统如图1-2所示。

发动机的动力经主离合器3、联轴器5和变速箱5和变速箱6进入中央传动装置7，经左、右转向离合器8、最终传动机构10最后传给驱动链轮11，进而驱动履带使推土机行驶。

动力输出箱2装在主离合器3壳体上，由飞轮上的齿轮驱动，用来带动3个齿轮油泵。

这3个齿轮油泵粉笔恩向工作装置、主离合器3和转向离合器8的液压操纵机构提供液压油。

（2）履带推土机的液力机械式传动系统布置

以日本小松制作所产的D85A-12型推土机为例，该机采用液力机械式传动系统，其动力装置为六缸、水冷、四行程、直喷式柴油机。

液力机械式传动系统布置如图1-3所示。

D85A-12型推土机的两个转向离合器是直接液压式，即离合器分离和结合都是靠油液压力的作用实现的。

液力机械式传动系统与机械式传动的主要区别是离合器油液力变矩器代替，并采用了液压操纵的行星齿轮式动力换挡变速箱。

这种变速箱用压力油操纵变速箱中的各多片式换挡离合器，可在不切断发动机动力的情况下换挡。

液力变矩器的从动部分（涡轮及其输出轴）能够根据推土机负荷的变化，自动地在较大范围内改变其输出转速和扭矩，从而使推土机的工作度和牵引能力在较宽的范围内自动调节，因此变速箱的挡位数无需太多，且又可减少传动系统的冲击载荷。

二、传动系统典型部件结构原理

1、主离合器

采用机械式传动系统的履带推土机，其传动系统的第一个部件就是主离合器。

主离合器的功用是：

临时切断动力，便于换挡；使推土机平稳起步；使发动机空载启动；防止传动系统其他零件过载；利用其半接合状态使推土机微动。

主离合器有干湿和湿式两种。

干式主离合器在频繁的接合与分离过程中磨损较大，需要经常调整才能保证正常传动。

而推土机功率增大时，干式主离合器摩擦材料的抗压强度不够大，因而湿式主离合器在大中型机械推土机上被普遍采用。

湿式主离合器壳内注有机油，摩擦片在油中工作，摩擦系数较低。

为了提高摩擦力只能增大压力紧力，这就要求摩擦片上有较高的承载能力，因此采用了强度较高，且在高温下有较好的耐磨性的铜基粉末冶金层，来代替干式主离合器所用的石棉铜丝材料。

由于湿式主离器摩擦片所承受的压力要比相应的干式摩擦片大2-3倍，在离、合过程中会产生大量的热量，故离合器中的油液都采用泵来强制循环。

湿式摩擦片在油流的不断冲刷下，得到了良好的冷却和润滑，因此摩擦片的磨损较小，主离合器长期使用不需要调整，使用寿命可为一般干式主离合器的5-6倍。

这种主离合器随着压紧力的增大而使操纵费力，故通常采用液压助力器来解决。

图1-5所示的是D80A推土机湿式主离合器，属于非经常结合式、多片、杠杆压紧式的主离合器。

2、液力变矩器

该变矩器为三元件向心涡轮式，结构简单、传动效率高。

变矩器由泵轮组件、涡轮组件、导轮组件三部分构成。

泵轮组件中的泵轮由螺栓和驱动壳连接，驱动齿轮由螺栓和驱动壳连接。

驱动齿轮直接插入发动机飞轮齿圈内，故泵轮随发动机一起旋转。

导轮由螺栓和导轮毂连接，导轮毂通过花键和导轮座连接，导轮座又通过螺栓和变矩器壳连接，故导轮和变矩器壳一起，是不旋转的。

涡轮和涡轮毂用铆钉铆接在一起，再通过花键和涡轮输出轴连接，涡轮输出轴通过花键和联轴节连接，将动力传递给其后的传动系统。

泵轮随发动机一起旋转，将动力输入，导轮不旋转，涡轮旋转，将动力输出，三者之间相互独立，轮间间隙约为2mm。

泵轮、涡轮、导轮自身由许多叶片组成，称之为叶栅，叶片由曲而构成，呈复杂的形状。

变矩器在工作时，叶栅中是需要充满油液的，在泵轮高速旋转时，泵轮叶栅中的油液在离心力的作用下沿曲面向外流动，在叶栅出口处射向涡轮叶栅出口，然后沿涡轮叶栅曲面作向心流动，又从涡轮叶栅出口射向导轮叶栅进口，穿过导轮叶栅又流回泵轮。

泵轮、涡轮、导轮叶栅组成的圆形空间，称之为循环圆。

由于涡轮叶栅曲面形状的设计，决定了涡轮和泵轮在同一方向旋转。

这样，变矩器叶栅循环圆中的油液，一方面在循环圆中旋转，一方面又随泵轮和涡轮旋转，从而形成了复杂的螺旋运动，在这种运动中，将能量从泵轮传递给涡轮。

涡轮的负荷是推土机负荷决定的。

推土机的负荷由铲刀传递给履带行走系统，再传给终传动、转向离合器、中央传动、变速器和联轴器总成，最终传递给变矩器涡轮。

涡轮负荷小时，其旋转速度就快；负荷大时，旋转速度就慢。

当推土机因超载走不动时，涡轮的转速也下降为0，成为涡轮的制动状态。

这时，因涡轮停止转动，由泵轮叶栅射来的油液，以最大的冲击穿过涡轮叶栅冲向导轮，在不转的导轮叶栅中转换成压力，该压力反压向涡轮，增大了涡轮的扭矩，该增加的扭矩和涡轮旋转方向一致，此时涡轮输出扭矩最大，为泵轮扭矩的2.54倍。

涡轮随着负荷增大，转速逐渐降低，扭矩逐渐增加，这相当于一个无级变速器在逐渐降速增扭。

这种无级变矩的性能与易操纵而挡位较少的行星齿轮式动力换挡变速器相配合，使推土机获得了优异的牵引性能。

液力变矩器是依靠液力工作的。

油液在叶栅中流动时，由于冲击、摩擦，会消耗能量，使油发热，故液力变矩器的传动效率是较低的。

目前，国内外最好的液力变矩器其最高效率为88%。

当变矩器的涡轮因推土机超负荷而停止转动时，由泵轮传来的能量全部转化成热量而消耗掉，此时变矩器效率为0。

要想提高变矩器的传动效率，就要掌握推土机的负荷，使涡轮有适当的转速、推土机有适当的速度；即当推土机因负荷过大而走不动时，要及时减小负荷，提一下铲刀或由II挡换为I挡。

由变矩器的结构和工作原理知，变矩器工作时油会有内泄、会发热。

这就要求要及时给变矩器内部补充油，并将发热的油替换出来冷却，形成一个循环。

TY320型和TY220型有完全相似的液力变矩器，只是进行了几何放大。

TY160型和TY220型有基本相似的的液力变矩器，人是结构有些变化。

它们的故障和维修是基本相同的。

2、行星齿轮式动力换挡变数器

TY220推土机行星齿轮式动力换挡变速器的结构图，该变速器主要由四个行星排和一个旋转闭锁离合器构成。

图3中标的“I”“II”“III”、“IV”是四个行星排，“V”是旋转闭锁离合器。

“I”“II”和“IV”行星排都是固定齿圈，用行星架同向旋转进行输出的。

“II”行星排的行星架上多装一个行星轮，若将齿圈C用离合器固定，当太阳轮A右转时，行星齿轮B左转，行星齿轮E右转，行星架D左转，则形成了以太阳轮输入、行星架反向旋转输出的行星齿轮减速机构。

TY220型推土机变速器即利用第II行星排作为倒挡使用。

离合器有5个。

第1至第4离合器的油缸体都由螺栓连接在端盖上，它们是不运动的。

当油缸体和活塞之间充满压力油时，压力油在油超过计划的密封下，建立油压并推活塞压紧摩擦片，则可将齿圈固定。

第5号旋转闭锁离合器的结构比较特殊，它没有行星机构，其工作时是整体旋转的。

向旋转油缸中供油时，需先向中心轴供油。

工作时，压力油通过第5离合器固定不动的壳体19中的油道，进入旋转油缸，推动活塞工作。

为防止泄漏，要用旋转密封环进行密封。

工作完的油液，由于旋转油缸不停地旋转，离心力向外甩出，无法经供油道排出，会增加摩擦片的磨损。

为解决此问题，在旋转油道排出，会增加摩擦片的磨损。

为解决此问题，在旋转油缸体上增加一个钢球止回阀，在压力油的作用下，它密封油孔以建立油压，停止供油时，它会甩开，开放回油孔以回油。

TY220型推土机变速器，在结构上许多特点，利用这些特点，可使维修更为容易进行。

如第1至第4离合器的摩擦片和光盘都是通用的；第2至第4行星排的活塞和密封环相同，行星排离合器导向销相同，光盘分离弹簧相同，离合器活塞分离弹簧相同；第1至第3行星排使用同一个行星架；第4行星排的行星架利用外齿圈插入第3行星排齿圈中，并用弹簧卡圈防止轴向窜动等等。

TY320和TY220型推土机系列产品有完全相似的变速器，只是放大了几何尺寸。

TY160型推土机变速器，离合器的排列方式不同，第1离合器为前进挡，第2离合器为后退挡，第3旋转闭锁离合器为I挡，第4离合器为III挡，第5离合器为II挡。

安们有相同的使用维修特点。

三、推土机的应用与发展

推土机作为铲土运输机械中最具代表性的机种之一，在我国从无到有，从仿制到国产化，经历了几十年的发展历程。

目前，国产推土机在国内市场的占有率已超过90%。

然而，与挖掘机﹑路面机械等其他快速发展的行业相比较，推土机行业的发展还比较落后，与国外的先进技术还有相当差距，还有许多问题亟待解决

推土机是铲土运输机械中最具代表性的机种之一，被广泛用于土石方基础施工中。

推土机在我国经历了修造、仿制改进、引进消化、嫁接改造等发展阶段。

建国初期的很长一段时间内，我国尚无能力设计制造推土机这样的重型机械。

1958年，天津建筑机械厂在前苏联斯大林80履带式拖拉机的基础上成功地研制出了推土工作装置，这是我国的第一台推土机———移山E80履带式推土机。

其工作装置为绞盘控制，配置了干柱式离合器和转向离合器、板弹簧悬挂、螺杆张紧履带装置、支重轮为黄油润滑、汽油机辅助启动主发动机等。

这就是我国第一代履带式推土机的雏形，也是相当长一段时期内国内推土机发展的基础。

之后，我国进口了一定数量的推土机，让我们初步领略到了日、美等国先进的推土机技术。

通过对进口样机的研究，国内企业开始探索借鉴进口产品的技术改进我国推土机的部分结构，包括将工作装置的绞盘控制改为液压控制，在仿制改进过程中也逐渐形成了一支自己的专业技术队伍，以日本小松的D80A-7、D80A-12、D80A-15等为样机设计开发了88kW（120马力）、103kW（140马力）和110KW（150马力）等不透功率的履带式推土机。

改革开放给我国推土机行业带来了良好的发展机遇，从20世纪70年代末至今，我国已引进推土机近10个系列，16个基本机型。

这些机型的引进，不但给我国推土机产品带来了先进的技术和专业标准，而且使我们通过各种方式接触到了先进的制造技术、工艺手段、检测手段以及全面质量管理等方面的内容，这些对在消化技术初期进行技术改造提供了很大帮助,并逐步实现了引进技术的国产化。

在国内建立了专业零部件的配套生产厂家及新材料研究生产基地的同时,相应带动了其他产业的发展。

液力机械传动技术很快成熟并成为主流的传动形式。

目前,引进日本小松技术的推土机产品国产化率已达90%以上,国产推土机的市场占有率为91%。

目前我国推土机行业存在的问题

与挖掘机、路面机械等行业频繁合资、独资以及产品大量出口返销的局面相比,我国推土机行业的发展还比较落后,还存在许多亚待解决的问题,主要表现在以下几个方面。

产品品种单一

目前,尽管我国推土机产品有数十个机型,但都集中在中小功率等级范围内,不能满足像三峡工程、黄河小浪底水利枢

纽工程所需的大型推土机（235KW以上）的需要。

而美国卡特彼勒公司和日本小松公司的推土机产品有20余个基本系列,上百个机型。

如美国卡特彼勒公司的D11N型推土机功率为785KW（782马力），自重88t;日本小松公司的D575A-2型推土机功率为785KW（1068马力）自重150t,是目前世界上最大的推土机。

产品技术水平落后

20世纪70年代末至80年代初引进的产品仍是我国目前推土机的主导产品,技术水平至今仍基本停留在当时的水平上。

虽然近几年开发了带电子监控和全液压驱动等具有世界先进水平的产品,但目前尚在小批量试制和进口件的组装阶段。

而日本小松、美国卡特彼勒等国际知名公司已大量应用微电子技术、传感技术、信息处理技术、数字技术和自动控制等先进技术,在提高推土机的可靠性,实现工作状态监测、故障诊断、节能、操纵智能化和环境保护等方面都取得了很大进展。

总体讲,我国严重缺乏对推土机的基础性研究和技术创新,同世界先进水平相比至少落后15年,而且有进一步拉大的趋势。

产品质量差

由于技术、材料、热处理和制造工艺等多方面的不足,我国的推土机质量与国外先进水平还存在较大差距。

我国推土机的平均无故障工作时间（MTBF）只有250-350h,平均寿命（第一次大修期）是在5000-6000h,而卡特彼勒和小松公司的推土机产品的平均无故障工作时间为500-600h,平均寿命达10000-12000h。

因此,国产推土机不能很好地满足现代工程高质、高效、快捷和低成本的施工要求,这也是在国内投资建设的重点项目中大多采用进口推土机产品的主要原因。

产品产量低、竞争力差

前几年我国推土机的年产量徘徊在3500台左右（功率在74KW以上机型）,其中产量最大的企业也不过1500台,每个专业厂的平均年产量只有500台左右。

虽然2003年整个行业有很大的突破,全年生产推土机7800台,但和国外同行业企业相比还有很大差距。

日本小松公司生产多种工程机械产品,仅推土机年产量就有13000台左右。

据权威部门测算我国推土机行业起始经济规模在1000台1年左右,适度经济规模在2000台1年左右,竞争经济规模在3500台1年左右。

所以我国大部分推土机企业经济效益不佳,竞争力差也就不足为怪了。

企业规模小、整体素质低

我国7个主要推土机生产企业拥有的固定资产原值约5.4亿元（约合0.6亿美元）,日本小松公司的固定资产为65亿美元,是国内企业的百余倍。

7个专业厂的规模尚不如卡特彼勒公司一个变速器壳体的加工线规模。

同时我们的制造手段落后,技术的引进只重视如产品图纸、专业标准等纯外围技术,而没有引进相应的配套硬件和管理技术,以及更深层次的再开发基础理论,因此也就无法保证引进技术能毫无折扣地实施,造成消化吸收过程中企业各种运营成本的增加,并且长期达不到引进技术的要求。

我国推土机行业的整体水平处在发达国家20世纪80年代的水平上,而且国内推土机行业尚无开发新产品的能力,消化吸收近20年也仅限于对老产品进行修修补补。

目前,推土机行业中还没有形成管理上水平、产品上档次、能参与国际竞争的大型龙头企业。

国外发展现状

50年代履带式推土机功率只有74kW,品种规格不全,发展不快,70年代初出现了301.5kW的推土机。

随着资源开发和大型建筑工程提高生产率的需要,围绕高效率、低成本为核心开发了大型化、液压化和机电一体化的履带式推土机。

1美国卡特彼勒公司1977年末该公司推出522kW的D10型推土机后相继又推出574kW的D11N型推土机,使该公司自地面冲击和振动载荷对履带行走机构所产生的不良影响,又开发了新型非等腰三角形履带布置的高架驱动链轮式履带推土机,抬高驱动轮,采用弹性悬挂式行走装置取代传统“四轮一带”的布置形式。

其主要特点是履带接地面积大,使单个链节所受冲击力减少50%驱动轮高架所受负荷由行走装置摆架和枢轴吸收而不传给终传动系统;防止由于驱动链轮夹带泥砂碎石而产生附加磨损;承载能力高,有较高的稳定性和机动灵活性;履带和传动系统检修迅速、方便。

从1978年到1992年末共生产5万多台。

目前从D4H到D11N形成L、H、N三大系列,并在此基础上发展了HⅡ系列的新产品,采用模块式结构动力传动系、差速转向机构、EMS电子操作系统,舒适的驾驶室和较少的润滑点。

在当时国际工程机械行业居主导地位。

2日本小松公司1975年推出456kW的D455A型推土机;1981年在美国世界工程机械博览会上展出755kW的D555A型推土机;1986年推出552kW的D475A-1型推土机,相继又推出574kW的D475-2型推土机。

后者采用半刚性履带行走装置,装有大容量推土铲和大型松土器,同时装有电子监测系统,从而减少履带打滑,增大牵引力,提高了生产能力,增加了可靠性。

最近小松美国公司推出超大型推土机,功率845.8kW、机重142.6t,装有68.5m3的推土铲,生产能力大、生产效率高。

3德国利勃海尔公司该公司主要生产静液压履带推土机。

其特点:

结构简单、简化维修;通过对柴油发动机转速传感器而进行的行走液压泵电子控制,可最优利用发动机功率,防止发动机过载,每条履带都由电子控制变量柱塞马达单独驱动,提高了机动性;行走台架减震悬挂,安在枢轴上的弹性结构和平衡梁有效地吸收震动,运转平稳;重心低,行驶稳定性好;工作装置外形合理,结构坚固;Litronic电子智能装置对整个系统和液压装置进行自动控制

今后推土机技术的发展方向

全液压传动

全液压传动推土机是指左右驱动轮分别由“液压马达Ε减速器”驱动,省去了繁杂的传动系统,机械结构大为简化。

转向时两侧履带都动力驱动,因此可实现坡道和转向时推土作业,若两侧马达不同方向转动即可实现推土机原地转向。

而且全液压传动推土机可简化操作程序,提高操作自动化程度。

理论上全液压传动推土机的生产率最高。

利勃海尔公司曾对全液压传动推土机和液力机械传动推土机进行过对比试验,前者可节能10%,传动效率和生产率分别提高25%和15%-25%.

电子控制发动机

在推土机上采用液压驱动式电子控制燃料喷射系统发动机,可以根据推土机作业负荷的变化,在数百分之一秒的时间内对发动机发出工作指令,使燃油以最适宜的喷射压力、在最适宜的时刻、以最适宜的持续时间、最适宜的油量和最适宜的形态进行喷射,从而达到改善排放指标、降低噪声、降低燃油消耗、提高机械可靠性、延长机器寿命、提高机器维修性等目的。

自动变速器和静压转向系统

自动无级变速器是利用负荷传感和数字处理技术,根据推土机全方位的传感反馈信息自动进行协调控制,可以获得比传统的“液力变矩器十行星变速器”更高的传动效率。

不但高效区的变速范围广,而且能保证发动机始终在最佳转速范围内工作,有效避免变矩器在失速状况下工作。

系统可根据推土机的作业负荷实现自动变速,生产率可提高10%-20%,单位燃油生产率提高20%-30%。

静压转向系统是由装在后桥箱内的左右两个行星差速机构和变量泵、液压马达组成。

可以形成/种运行方式Φ左右马达旋转,在左右驱动轮上形成相同的转速,推土机直线行驶;左右马达旋转,在左右驱动轮上产生差速,推土机则偏离直线行驶状态实现转向;两个马达一个正转,另一个等速反转可实现左右原地转向。

静压转向的突出优点是转向时不切断内侧履带的动力,可充分利用整机质量和发动机功率,减少履带滑动和制动的功率损失,使在弯道上推土和直道上推土效果一样。

通过对泵排量的控制可实现回转半径的无级选择,偏载作业时也能方便地实现直线行驶。

转向时无附加的履带滑转,不会破坏路面,在松软的地面也具有良好的转向作业性和通过性,能高效地进行旱地作业。

另外,转向时不切断内侧履带的动力,可避免在斜坡上转向时发生“逆转向”现象,提高在斜坡上转向的安全性。

其他新技术

液压先导控制−尸尸Γ.在推土机上的应用使原来复杂的方向−前后左右.控制集中于一个手柄,工作装置的提升、侧倾、松土集于一个手柄,可以实现操纵高度集成,达到减少操纵力、缩短操纵行程和简化操纵程序。

加上信息传感和电液控制技术的应用,使操纵响应度极高,可有效提高生产率。

弹簧悬挂支重轮装置可以使推土机很好地附着在凹凸不平的地面上,增强整机附着性能,减少行走冲击,降低噪声。

激光调平技术的应用可使推土机在平地作业中根据基准要求自动控制推土铲的高度,使推土机能以5KM/h;的速度进行平地作业,

平地精度可达30MM,生产率可提高70%􀀂。

我国经济正处在高速发展时期,急需高质量、高效率的推土机在国民经济建设中发挥作用,而且经济的发展和技术的进步,也为我国制造高水准的推土机提供了支持和保证,只要认真对待存在的问题和差距,努力采取措施缩小差距,我国的推土机行业就一定能走出低谷,走向辉煌。