松土器悬挂在推土机或平地机尾部，推土机或平地机可根据施工需要，在行进过程中，将松土器的松土齿下压插入作业面，进行松土作业，耙裂冻土、岩层或坚硬的路面。松土器工作条件恶劣，作业过程中其松土齿和齿套承受巨大的拉力。

1.存在问题

1台某型号推土机在松土作业过程中，其松土器齿套发生开裂故障，开裂部位在齿套底部后侧，如图1 所示。齿套开裂后，维修人员采用焊接方法进行加固，仍然未能遏制裂纹的扩展，最终导致松土器无法使用。

2.原因分析

该推土机松土器松土齿与齿套之间具有较大的间隙，造成松土齿齿杆在齿套内出现摆动，摆动角度为β，如图2a 所示。松土器松土时，齿杆与齿套分别在区域1 和区域2 接触。松土器处于工作状态时，其底座距离接触区域2 较远，依力矩平衡原理，使区域2 承受的载荷较大，而区域2 仅有5mm的接触面，可视为为线接触，具有明显的应力集中问题。

为了解决区域2 容易产生开裂故障，我们对其应力进行分析。该应力计算方法有2 种，一种是用赫兹接触公式计算，另一种是用有限元软件模拟分析。我们观察齿套裂纹较长，说明齿套损坏主要是深层应力，该裂纹形状不适合使用赫兹接触公式计算接触应力，只能使用有限元软件模拟分析。

模拟分析时采用松土器位于最大入土深度工况，且作业中突然撞击石块，为此选取冲击系数为2，在该工况下模拟分析齿套的应力分布。分析结果如图2b 所示，从分析结果可以看出，齿套接触区域2 附近的局部应力达到1063.7MPa，已超过材料

的强度极限，该分析结果与实际开裂位置（见图1）相符合，说明有限元软件模拟分析基本符合实际工况。

3.改进措施

依据现场观察及原因分析结果，我们决定对齿套采取2 项改进措施，如下所述。

（1）上移接触区域

在距离齿套底部增设1 个角度为δ 的斜面，该角度δ 大于松土齿齿杆在齿套内的斜角β ，使齿套底部与松土齿齿杆脱离接触。这样松土齿齿杆与齿套接触区域就会上移至距离底面h处。接触区域上移后，可避免松土齿齿杆与齿套底部的线接触，从而避免出现应力集中。如图3a所示。

（2）增加接触面积

在距离齿套底面h 处，再增加1 个角度为a 的斜面，角度a 需小于松土齿齿杆在齿套内的摆动角度，当松土齿齿杆与齿套发生接触时，首先在h' 处接触。当推土机拉动松土齿齿杆松土时，松土齿齿杆与齿套发生弹性变形，角度a 随即减小。角度a 的斜面上，松土齿齿杆与齿套全部接触，即从h 点至h' 点之间的区域全部接触，使其接触面积增大。这样可以减小松土齿齿杆与齿套接触位置的应力，以进一步减小应力集中。

齿套改进部位后的角度尺寸应满足a＜β ＜δ 。我们对改进后的结构进行了有限元软件模拟分析，分析结果如图3b 所示，最大应力达到只有440.43MPa，分析结果表明应力较原结构降低了近3 倍。

3.改进效果

松土器齿套经结构改进后，解决了应力集中问题。改进后的推土机松土器已经工作2000 h 以上，其齿套再未出现任何变形、开裂现象，大大提高该松土器工作的可靠性及使用寿命。