岩士振动掘削技术研究现状及其发展趋势

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1、岩士振动掘削技术研究现状及其发展趋势岩士振动掘肖Ij技术研究现状及其发展趋势米屮南大学朱建新郭鑫邹湘伏赵崇友:【摘耍:详细分析了国内外岩土振动掘削技术的发展概况及其研允31振动掘削技术在掘削阻力，功率消耗及施工效率等方面的研究应用成果：1展趋势作了展望.轧.，止.，止.，止应用现状，归纳和总结了岩土{e，并对岩土振动掘削技术的发竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹母关键词:岩土切削振动掘削振动参数自从日本学者隈部淳一郎提出振动切削理论以來，国内外专家学者积极开展研究.由于振动切削技术具有显着的优越性，振动切削设备已在机械加工生产中得到广泛应用，而如何把这种技术应用于岩土的振动掘削，使得

2、该技术能够更有效地应用于地基基础开挖，土石方工程建设施工和农机耕耘作业等，这就引起了各国学者的深入思考和研究.因此，本文着重分析振动掘削技术在工程机械和农业机械的研究应用现状，并对其发展趋势进行分析与展望1国外研究现状1935年俄国[11的科研人员首次报道了关于通过振动减小铲刃掘削土壤所需力的应用情况.20世纪50年代以来，在岩土掘削，工程机械和农业机械方面,振动的应用在国外逐渐增多，许多国家都相继开展了相应的研究.主要在如下几个方面：1.1工程机械方面的研究(1)挖掘机械方面的研究应用振动载荷作用于土壤所产生的效应的基础性研究是由美国工程师在上世纪50年代完成的.Mo

3、gami和Kubom通过在沙地的试验,把振动致使挖掘力减小与土壤”液化”联系起來.由于土壤表层的液化，振动会使土壤表层间的摩擦减小，振动剪切面就会出现,从而更有利于土壤挖^.Winterkornp把这种现象称作粗品粒的液体状态，他的结论是振动载荷的增加伴随着土壤剪切力的减小.Cooper和McCreery[+J在粘土的试验中得到同样的结论他们的解释是由于土壤屮颗粒间的应力转移给孔隙水而出现的，孔隙水圧力的增高使土壤抗剪强度降低，甚至可以完全丧失，就成为剪切力迅速减小的主要原因.Savchenkol51指出沙土的内摩擦系数随着振动的频率和振幅的增大而减小;对于粘性土壤，当

4、频率和振幅增大时，土壤剪切力减小得更多.后来,Kczdi」61于1974年提出土壤在振动载荷作用下发生触变变形的现象.通过进一步分析可得出结论:各类土壤,尤其是饱和沙土在振动载荷的作用下，由于孔隙水压力的增大使土体的有效应力减小，即抗剪强度减小，从而发生液化现象，加速土壤达到破坏状态.各国学者还通过建立振动挖掘模型，研究振动参数对挖掘阻力和功率消耗的影响.1967年Boyd和NaleznytT-计的数学模型由弹性力和库伦摩擦力组成，模拟铲刃水平振动时的挖掘情况.试验结果表明，在给定的挖掘速度下铲刃以正弦振动方式对压实沙土进行挖掘时，随着频率，振幅的增大，平均挖掘阻力会减

5、小•实际挖掘阻力减小为不振动情况下的25%.G叩tar和Rajput[Sl〜.为振动挖掘能形成比不振动挖掘更小的土块，当振幅保持不变时，增大频率并大于土壤的固有频率并不能更有效地破碎土壤，而增大振幅却可以更有效地破碎土壤•他们通过单位能量对土壤所造成的影响，来匹配最佳的振动频率和振幅,并由此得出重要结论:当振动的频率接近于土壤的固有频率时，能量的利用率最大，即能耗最小.1976年Yow和Smithp]对一维的正眩振动挖掘铲进行了理论和试验研究他们得出结论:振动挖掘的总能量大于不振动的总能量，增加部分的能量是用于实现挖掘铲的振动，但最大挖掘阻力减小了40%.Busion和

6、Maclnlyret哟试验参数是:止弦激励国家863项目:挖掘机的机电一体化及制造信息化(编号2003AA430200)工｛fi杠拭2006(1)-33—的频率为50Hz,振幅为Xmm,挖掘速度为0.54—1.98km/h他们发现，当采用振动时,一般情况下都需要增大总功率消耗，但牵引力最多可减小50%.日本T.Muro[t01等人针对振动切削凝灰岩石进行了试验研究.经测定，振动时的水平切削阻力与无振动时的水平切削阻力之比随着振动频率的增加呈双曲线急速下降，呈正弦波振动时的挖掘比呈三角波振动时的挖掘效率明显提高，并得出如下结论：⑷当振动频率为8Hz,振幅为0.80cm或振

7、动频率为10Hz,振幅为0.60cm时，切削阻力在水平方向和垂直方向以及综合切削阻力都最小；(b)在取得最小切削阻力后，最大切削阻力随着振动频率的提高而上升；(c)切削阻力有随着切削速度提高而缓慢上升的趋势；(d)止弦振动状态下的切削阻力及其分力要比在没有振动状态下的小.当振动频率为8Hz,振幅为0.8cm,切削速度为0.95cm/s时，振动时的最大切削阻力比没有振动时减少了66.1%.在振动频率8Hz,切削速度为0.95cm/s时，振动时的能暈消耗比无振动时减少了89.0%.(1)其它铲运机械方面的研究应用1962年Panagiotop