推土机铲刀与作业介质之间的相互作用

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1、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[3]。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[9]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

2、业阻力的变化过程。YangQinsen和SunShuren[4]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的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。杨士敏[2]给出了土方机械的工作部件和土的相互作用过程中，切削力和切削功的计算表达式，以及推土机推土阻力的测量方法。崔占荣[3]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

3、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。吴传玉[21]提出铲掘对象的一般结构模型，得出铲掘过程中物料破坏为散状物料基本单元体之间联接键的失稳，而非基本单元体颗料的粉碎破坏的结论。提出铲掘对象本构关系遵循莫尔一库仑模型，并建立了铲掘机构一铲掘对象的一般力学模型。提出新的试验方法，对铲掘过程物料内部变形进行试验研究，初步分析了密实区的形成机理和对铲掘阻力的影响。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

4、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[10]。这在本文第六部分作出了相关介绍。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[6]。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

5、壤-机器系统的性能方程。2铲刀-土壤相互作用的数学模型当铲刀工作状态是正铲时，其要承受弯曲及拉压组合作用。当铲刀是斜铲形式时要承受弯曲、拉压及扭转组合作用。当铲刀突然顶到障碍物时还要承受冲击载荷。所以推土铲刀受力状态非常复杂。在铲刀满铲时，铲刀的切削力达到最大。选择铲刀满铲工况作为研究对象。基于许多的观察与分析实验，铲刀切削土壤分为两个过程：运土(图1)与切土(图2)。为建立铲刀-土壤模型我们作出如下假设[4]：(1)被切土壤先在铲刀表面滑动，然后从最高点滑落；(2)铲刀前方的土壤只移动不滚动；(3)土壤的断裂面是平面；

6、(4)切削前的土壤具有粘附力和摩擦力，切削后的土壤仍有摩擦力但只有很小粘附力；(5)铲刀加速度为零。土壤的断裂情形如图1所示。切削力在达到最大的过程中土壤的断裂是稳定的。被切土壤可分为两部分：地面上移动的土堆；在铲刀表面滑动的土壤。作用于土壤上的各种力可由下列表达式计算：式中：m1g—地面上被推动土壤的重量；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系数；R—铲刀曲率半径；φ0—被切土壤的堆积角；—土壤-金属间摩擦角；θ—铲

7、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；Aad—土壤与金属的粘附系数。图1铲刀前土壤的受力分析图图2铲刀切削刃前锲形土壤的受力分析图式中：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—

8、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