推土机铲刀与作业介质之间的相互作用.docVIP

1 研究现状与发展趋势 要想设计并优化出具有减粘降阻功能的推土机铲刀，除了要掌握铲刀的结构参数对铲刀性能的规律外，还需要了解铲刀在不同工作介质下的工作特性。许多学者对推土机铲刀与土壤相互作用中推土机总推土阻力的测量及试验数据进行了相关分析，研究了铲刀切削深度、切削速度，土壤类型等对铲刀作业阻力的影响。 对推土机推土阻力试验数据的分析，揭示了铲刀与土壤相互作用中推土阻力的形成原因。秦四成详细分析了推土机作业循环中推土机铲刀切入、定深集土、铲刀退出水平运土、卸土及倒退等5个工序下推土机现场试验的主要做法，以及各工序中作业阻力的变化过程。Yang Qinsen和Sun Shuren给出了一种推土机铲刀与土壤相互作用的数学模型。该模型假设推土机铲刀切土时，切削土侧面和断裂面上的粘附力随着切削深度的变化而变化，给出了粘附力计算中切削深度由最小变化到最大过程中以时间为自变量的函数表达式。此模型不但可以描述铲刀平均工作阻力的大小，还可以描述幅值波动的铲土阻力。崔占荣通过测试不同介质中模型铲刀的推土阻力，分析了不同工作介质对推土阻力的影响状况。并根据试验数据拟合出了推土阻力曲线，建立了模型铲刀推土阻力在不同工作介质中的数学模型。推土机作业时大部分能量消耗在切削和铲挖土壤上，通过研究铲刀与土壤相互作用，可降低铲挖能量，设计出高效、合理的工作部件。试验研究中，通常利用模型铲刀或者单元工作元件如平面压模、楔、圆锥体等在室内土槽进行各种试验来确定比切削阻力。 铲刀与土壤粘附特性也是铲刀与土壤相互作用研究的一个重要内容。铲刀与土壤粘附特性的研究属于土壤-固体粘附系统范畴，既是土壤粘附力学的主要研究内容，也是机械土壤动力学研究的重点。将土壤与触土部件的接触、相对滑移所呈现的粘附、摩擦等现象视为土壤-机器系统的一部分，通过确定触土部件受力的大小、最终土壤状态与触土部件形状、运动方式和初始土壤状态之间的关系建立土壤-机器系统的性能方程。 图 式中：m1g—地面上被动土壤的重量； m2g—铲刀表面滑动土壤的重量； γ0—土壤密度； B—铲刀宽度； H0—铲刀高度； D—铲刀切入土壤的深度；H=H0-DC0—铲刀表面土壤的粘附力； R—φ0—被切土壤的堆积角； —土壤-金属间摩擦角；θ—铲刀圆心角； Ff1—土堆与地面的摩擦力； Fc1—土堆与地面的粘附力； Pf1—土堆与铲刀表面土壤间的摩擦力； Pf2—铲刀与铲刀表面土壤间的摩擦力； Pc1—土堆与铲刀表面土壤间的粘附力； Pad—铲刀与铲刀表面土壤间的粘附力； 式中： m3g—锲形土壤的重量； α—切削角； γ—未被切削的土壤密度； C—未被切削的土壤的粘附力系数； φ—内摩擦角； G—作用于面(bcd)和(nmk)上的法向力； SF2—作用于面(bcd)和(nmk)上的摩擦力； CF2—作用于面(bcd)和(nmk)上的粘附力； CF1—作用于断裂面上的粘附力； SF1—作用于断裂面上的摩擦力； Q—作用于断裂面上的法向力； Fad—土壤与切削刃间的粘附力； β—断裂面与水平面间的夹角； W—作用于面(bdkn)上的法向力； P—切削力。 上述表达式中，只有参数β是未知的。通过公式(dP/dβ=0)可求出β的值。总结上述分析，作用于铲刀的合力为： 水平牵引力 垂直力 在切削土壤过程中，合力P是最大的力。但事实上，合力是随着位移的变化而变化的。因为力CF1和CF2发生了变化。由于土壤不可能是均匀的，所以很难完全的用数学表达式来描述切削力的变化。如果在切削土壤过程中不考虑土壤的弹性与塑性，假设力CF1和CF2随着切削深度而变化。切削深度由最小到最大，推土机重复切削。尽管这样的假设不能很准确反应实际的切削过程，但基于这种假设得出的结果与实际切削过程是相似的。因此，计算CF1和CF2中的切削深度D可由下式计算： 式中：V—切削速度 t—时间 N—重复次数 3 实验[4] 实验是在室内长30m、宽1.2m、高1m的土槽中进行0~5km/h范围内。模型铲刀的数据列于表1。使用八角形环传感器来测试推土机铲刀的推土阻力。实验中使用的工作介质是来自中国北方的砂粘土—黄土。土的含水量和密度分别是16.72%、1.753g/cm3。 表1 模型铲刀的参数 图3 实验设备 1—铲刀；2—八角环传感器；3—铲刀的提升设备；4—牵引车辆；5—土槽 4 实验结果及结果分析[4] 4.1 铲刀的总体分析 牵引力与垂直力的实验值和计算值之间的关系如图4和图5所示。用线性回归的方法来分析牵引力和垂直力。牵引力的相关系数是0.997，垂直力的相关系数是0.993。很明显，对于牵引力和垂直力的实验值和计算值之间的讨论是合理的。因此，该模型适合初步计算推土机铲刀切削土壤过程中铲刀所受的牵