金字招牌诚信至上推土机铲刀与作业介质之间的相互作用推土机铲刀与作业介质之间的相互作用 机理和对铲掘阻力的影响。 1 研究现状与发展趋势 推土机作业时大部分能量消耗在切削和铲挖土壤 要想设计并优化出具有减粘降阻功能的推土机铲上，通过研究铲刀与土壤相互作用，可降低铲挖能量，刀，除了要掌握铲刀的结构参数对铲刀性能的规律外，设计出高效、合理的工作部件。试验研究中，通常利[3]还需要了解铲刀在不同工作介质下的工作特性。许多用模型铲刀或者单元工作元件如平面压模、楔、圆锥学者对推土机铲刀与土壤相互作用中推土机总推土阻[10]。体等在室内土槽进行各种试验来确定比切削阻力力的测...

　　推土机铲刀与作业介质之间的相互作用 机理和对铲掘阻力的影响。 1 研究现状与发展趋势 推土机作业时大部分能量消耗在切削和铲挖土壤 要想设计并优化出具有减粘降阻功能的推土机铲上，通过研究铲刀与土壤相互作用，可降低铲挖能量，刀，除了要掌握铲刀的结构参数对铲刀性能的规律外，设计出高效、合理的工作部件。试验研究中，通常利[3]还需要了解铲刀在不同工作介质下的工作特性。许多用模型铲刀或者单元工作元件如平面压模、楔、圆锥学者对推土机铲刀与土壤相互作用中推土机总推土阻[10]。体等在室内土槽进行各种试验来确定比切削阻力力的测量及试验数据进行了相关分析，研究了铲刀切这在本文第六部分作出了相关介绍。 削深度、切削速度，土壤类型等对铲刀作业阻力的影铲刀与土壤粘附特性也是铲刀与土壤相互作用研响。 [6]究的一个重要内容。铲刀与土壤粘附特性的研究属于 对推土机推土阻力试验数据的分析，揭示了铲刀土壤-固体粘附系统范畴，既是土壤粘附力学的主要研[9]与土壤相互作用中推土阻力的形成原因。秦四成详细究内容，也是机械土壤动力学研究的重点。将土壤与分析了推土机作业循环中推土机铲刀切入、定深集土、触土部件的接触、相对滑移所呈现的粘附、摩擦等现铲刀退出水平运土、卸土及倒退等5个工序下推土机象视为土壤-机器系统的一部分，通过确定触土部件受现场试验的主要做法，以及各工序中作业阻力的变化力的大小、最终土壤状态与触土部件形状、运动方式[4]过程。Yang Qinsen和Sun Shuren给出了一种推土机和初始土壤状态之间的关系建立土壤-机器系统的性铲刀与土壤相互作用的数学模型。该模型假设推土机能方程。 铲刀切土时，切削土侧面和断裂面上的粘附力随着切 2 铲刀-土壤相互作用的数学模型 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当铲刀工作状态是正铲时，其要承受弯曲及拉压达式。此模型不但可以描述铲刀平均工作阻力的大小，组合作用。当铲刀是斜铲形式时要承受弯曲、拉压及 [2]还可以描述幅值波动的铲土阻力。杨士敏给出了土方扭转组合作用。当铲刀突然顶到障碍物时还要承受冲机械的工作部件和土的相互作用过程中，切削力和切击载荷。所以推土铲刀受力状态非常复杂。在铲刀满削功的计算表达式，以及推土机推土阻力的测量方法。铲时，铲刀的切削力达到最大。选择铲刀满铲工况作 [3]崔占荣通过测试不同介质中模型铲刀的推土阻力，分为研究对象。基于许多的观察与分析实验，铲刀切削析了不同工作介质对推土阻力的影响状况。并根据试土壤分为两个过程:运土(图1)与切土(图2)。为建立 [4]验数据拟合出了推土阻力曲线，建立了模型铲刀推土铲刀-土壤模型我们作出如下假设: [21]阻力在不同工作介质中的数学模型。吴传玉提出铲(1) 被切土壤先在铲刀表面滑动，然后从最高点滑掘对象的一般结构模型金年会-金字招牌诚信至上，得出铲掘过程中物料破坏为落; 散状物料基本单元体之间联接键的失稳，而非基本单(2) 铲刀前方的土壤只移动不滚动; 元体颗料的粉碎破坏的结论。提出铲掘对象本构关系(3) 土壤的断裂面是平面; 遵循莫尔一库仑模型，并建立了铲掘机构一铲掘对象(4) 切削前的土壤具有粘附力和摩擦力，切削后的的一般力学模型。提出新的试验方法，对铲掘过程物土壤仍有摩擦力但只有很小粘附力; 料内部变形进行试验研究，初步分析了密实区的形成(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—铲刀与铲刀表面土壤间的粘附力; Pad的过程中土壤的断裂是稳定的。被切土壤可分为两部A—土壤与金属的粘附系数。 ad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: 2 ，，，，mg,12,,B,H，2D,tan,ctn,1000 F,tan,,mgf11 ，，P,tan,,F，F f1f1c1 ，，P,tan,,F，F f2f1c1 图1 铲刀前土壤的受力分析图 mg,,,B,H,2D20 ，， F,C,B,H，2D,tan,,ctn,c1000 P,C,B,R,, c10 P,A,B,R,, adad 式中:mg—地面上被推动土壤的重量; 1 mg—铲刀表面滑动土壤的重量; 2 γ—土壤密度; 0 图2 铲刀切削刃前锲形土壤的受力分析图 B—铲刀宽度; 2，，，，，，，，G,13,,,D,1,sin,,12,Dctn,，ctn, H—铲刀高度; 0 D—铲刀切入土壤的深度;H=H-D 02 ，，，，mg,12,,,B,D,ctn,，ctn,3C—铲刀表面土壤的粘附力系数; 0 R—铲刀曲率半径; CF,C,B,Dsin, 1 φ—被切土壤的堆积角; 02，，，，CF,12,C,D,ctn,，ctn, 2—土壤-金属间摩擦角; , θ—铲刀圆心角; SF,G,tan, 2 F—土堆与地面的摩擦力; f1 SF,Q,tan, F—土堆与地面的粘附力; 1c1 P—土堆与铲刀表面土壤间的摩擦力; f1F,A,B,Dsin, addP—铲刀与铲刀表面土壤间的摩擦力; f2 P—土堆与铲刀表面土壤间的粘附力; c1 ,,,,发生了变化。由于土壤不可能是均匀的，所以很难CFP,P,sin，,2SF,cos，Q,sin，，，2x2 完全的用数学表达式来描述切削力的变化。如果在切SF,cos,,F,cos,，2CF,cos,，CF,cos,1ad21 削土壤过程中不考虑土壤的弹性与塑性，假设力CF1,,,,P,P,cos，,W，2SF,sin,Q,cos，，y2和CF随着切削深度而变化。切削深度由最小到最大，2，SF,sin,，F,sin,，2CF,sin,，CF,sin,1ad21推土机重复切削。尽管这样的假设不能很准确反应实 ,,,,,,sin，,,cos，，，WF，，，，，，ad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CF和CF中的切削深,,2,cos，2,cos，,cosSFCFCF12221，，,P ，，sin,，,，,，,度D可由下式计算: ，，，，W,P，P，P，P，mg，mgDt,V,t,N,T,tan,式中: f1f2adc1230 mg—锲形土壤的重量; 式中:V—切削速度 3 α—切削角; t—时间 T,D,ctn,/Vγ—未被切削的土壤密度; 0 C—未被切削的土壤的粘附力系数; N—重复次数 φ—内摩擦角; [4]3 实验 G—作用于面(bcd)和(nmk)上的法向力; 实验是在室内长30m、宽1.2m、高1m的土槽中SF—作用于面(bcd)和(nmk)上的摩擦力; 2 进行。车辆可以在土槽两侧的导轨上自由滑行。结构CF—作用于面(bcd)和(nmk)上的粘附力; 2 如图3所示，由电机驱动，车辆的速度控制在0~5km/hCF—作用于断裂面上的粘附力; 1 范围内。模型铲刀的数据列于表1。使用八角形环传感SF—作用于断裂面上的摩擦力; 1 器来测试推土机铲刀的推土阻力。实验中使用的工作Q—作用于断裂面上的法向力; 介质是来自中国北方的砂粘土—黄土。土的含水量和F—土壤与切削刃间的粘附力; ad3密度分别是16.72%、1.753g/cm。 β—断裂面与水平面间的夹角; 表1 模型铲刀的参数 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 ，，F,P,sin,，,，F，Fxf1c1 垂直力 ，，F,P,cos,，,,P,Pyf2ad 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CF和1 密度不仅影响牵引力值(线性关系)，而且影响牵引力的 振幅。不同的土壤密度和切削深度得出的牵引力的波 形图见图7和图8。随着土壤密度的增加牵引力的波形 图振幅和平均值都增加。关于实验和计算结果的讨论 是合理的。可以通过该模型根据土壤密度预测牵引力。 图4牵引力实验值与计算值间的比较 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] 4 实验结果及结果分析 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 图5垂直力实验值与计算值间的比较 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引力和 垂直力值。 4.2 土壤密度对牵引力的影响 铲刀A的牵引力与土壤密度的关系见图6。土壤 图6 土壤密度与牵引力间的关系 3图8 牵引力波形图(D=23mm，γ=1.62g/cm，V=0.252m/s) 图9 切削深度与牵引力的关系 4.4 速度对牵引力的影响 切削速度对牵引力的频率影响很大。速度越快，3图7 牵引力波形图(D=30mm，γ=1.85g/cm，V=0.223m/s) 频率越高。图10和图11显示了两种速度下牵引力的4.3 牵引力与切削深度的关系 波动情况。通常情况下，该数学模型也可以仿真出牵在同样的条件下，铲刀B的牵引力与切削深度的 引力的波形图。铲刀B的平均牵引力值与速度的关系关系如图9所示。随着切削深度的增加牵引力以二次 见图12。当速度低于20cm/s时，平均牵引力不随速度方增加。理论结果与实验结果很接近。与土壤密度一 的改变而变化。实验结果与计算结果相吻合。当速度样，切削深度也影响牵引力的振幅(图7和图8)。 大于30cm/s时，实验得出的结果应随速度的增加而增 加，但是计算值却没有改变。其原因是该数学模型忽 略了土壤的内部作用力。因此当切削速度太高时，该 数学模型不能计算铲刀的力。 3) 图12 速度与牵引力间的关系(D=15mm，γ=1.86g/cm 5 结论 (1) 该数学模型用于预测推土机铲刀低速切削黄 土的受力情况; (2) 土壤密度和铲刀切削深度均对牵引力平均值 和振幅有影响; (3) 当切削速度低时，速度不影响切削力。但速度 高时，速度开始影响切削力; 6 一些新型推土板 3图10 牵引力波形图(D=20mm，γ=1.78g/cm，V=0.089m/s) 6.1 有凸出刀片的推土板 有凸出刀片的推土板,与传统推土板刀片一字形 直线排列不同,推土板的刀片呈凸字形排列,中间板 比两侧板凸出,起超前刃的作用,为后置的两侧推土 板刀片提供破土的自由面,降低掘削阻力。试验表明, 有1-3块凸出刀片的推土板比传统推土板的作业效率 可提高15%-20%。 6.2 三节铰接式推土板 三节铰接式推土板,由2块侧板和1块中间板组成, 这3块独立的推土板由铰接件连接,通过液压缸操纵, 2块侧板可以相对中间板回转,形成直线形(与传统推 土板相同)、半月形、凸形(似人行天桥形)和斜形(与平 地机的斜形推土板相同) 4 种作业形态,后3 种作业形 态可减少漏土,提高推土的装满系数和推土运土效率。 3图11 牵引力波形图(D=20mm，γ=1.78g/cm，V=0.376m/s) 6.3 装有螺旋排土器的推土板 装有螺旋排土器的推土板是在推土板刀片上方安 装螺旋排土器(螺旋输送机)。该排土器由液压马达驱推土板,刀片切削角为30?-40?(依不同物理和机械性能 的土壤而定)。在分别对刀片切削角为30?和50?的推土动,液压马达由推土机液压系统供油和控制。螺旋排 板进行推土实验，并结合理论进行计算后，结果表明，土器可以将推土板刀片掘削的土壤螺旋式横向排出, 刀片切削角为30?的推土板比50?角的优越。掘削黏土这对充填管沟,向铁路、公路的路堤填土等施工和清 时，掘削阻力降低44.5%;掘削砂质黏土时，掘削阻力除道路积雪等十分方便,不需辅助设备(如装载机)就可 以一次性完成掘削和横向填(排)土作业。 降低45.2%;掘削沙质土壤时，掘削阻力降低39.4%; 推土机的生产率平均提高了16.7%。 上述3种新型推土板,均由俄罗斯第聂伯河建筑学 .8 振动推土板 院开发。 6 6.4 CNΓMA型推土板 美国密西西比大学、英国国际公司先后开发的振 动推土板，是在传统推土板上安装振动器，当推土板俄罗斯KOMAUY公司生产的D155AX型推土机, 在振动工况下作业时，能使推土板刀片和土壤之间、安装了CNΓMA型推土板,从而成为新型强力推土机。 土壤颗粒之间的静摩擦转化为动摩擦，降低了摩擦系CNΓMA型推土板,与传统的半U形或直倾式推土板相 数，从而降低了掘削阻力，提高了推土机的作业效率。 比,对推土板的板面形状参数(曲率半径、倾斜度、推 6.9 仿生推土板 土板刀片排序等)进行了优化设计,在切削和转运土壤 英国科研机构根据最优化理论，将仿生学原理引时,掘削阻力均布在推土板的全长上,推土和运土的 入推土板面板的设计中，如仿掘土昆虫头部表面形状阻力降低了40%,减少了漏土,推土效率提高了15%。 6.5 液压驱动的推土板 的非光滑表面推土板。该推土板的板面焊有许多小点， 小点的合计面积占推土板总面积的45%，具有良好的为克服传统推土板适应性差的缺陷,一些国产推 防黏性、脱土性，并可减少推土阻力13.02%。 土机,如柳工生产的CLGB230型推土机采用了液力驱 [18][19][20] 6.9.1 波纹型推土板动的推土板,液力变矩器使推土机的输出扭矩能自动 在典型土壤动物中，波纹形是一类最具代表性的适应负载的变化,提高了推土机作业的适应性。 6减粘脱附体表。其减粘脱土的主要原因是其体表与土.6 弹性推土板 壤的接触面积减少。将推土机正常的推土板设为矩形俄罗斯叶列茨基大学开发了弹性板面的推土板, 俄罗斯西伯利亚公路学院开发了带弹性装置的推土板平板的情况下，在推土板上应用这种波纹型曲面。在 一定单位承载范围内，波纹形仿生推土板的确比普通(在推土板和推土板推杆的连接部位安装弹簧,使推土 2板与推杆由刚性连接变为弹性连接)。弹性推土板改变板(7200cm )与土壤接触面积少，即压强在一定范围 内，波纹形仿生推土板比普通板的减粘降阻能力更好。 了传统推土板的动力学特性,提高了推土板的适应性。 [24] 6.9.2 凸包型推土板带弹性装置的推土板与传统推土板相比,在掘削土壤 凸包板减粘降阻的主要原因是减少接触面积，使时,掘削阻力的变差系数降低了45%金年会-金字招牌诚信至上，牵引功率的变 差系数降低了34%。使推土机在推运物理和机械性能与其相接触的土体表面造成不均匀的变形而减少界面 层土壤的压实现象和造成润滑效应;凸包板上第一排变化大的土壤时,负荷波动小,能平稳作业。 6.7 优化切削角的推土板 凸包增阻较大，为增加凸包板的减粘降阻效果，首先俄罗斯沃罗涅日建筑大学研究出了优化切削角的应改进第一排凸包的结构参数。 [10] 刘述学(工程机械地面力学[M](北京:机械工业 出版社，1992:78-102 [11] 叶兰成(大型推土机工作装置仿真分析与结构强 度研究[D](硕士学位

　　(保存地点:吉林大学， 2008 图13 凸包型几何非光滑表面 [12] 符长会(基于Pro/E和ADAMS的推土机工作装 置的仿真分析与改进设计[D](硕士学位论文(保6.10 其他新型推土板 存地点:山东科技大学，2011 近年来新开发的新型推土板还有:俄罗斯开发的[13] 岳国栋(推土机工作装置的多学科设计优化研究双面刀片推土板、带夹持机构的推土板、带圆盘切削[D](硕士学位论文(保存地点:浙江大学，2009 器的推土板、带链条作业机构的推土板和以低压聚乙[14] J. Mak，Y. Chen，M.A. Sadek(Determining parameters of a discrete element model for soil-tool 烯为基体的塑料护面推土板;美国开发的装有GPS自 interaction(Soil&Tillage Research 118，2012，动调平控制系统的推土板;日本开发的推土板是UPE117-122 塑料板材制作的面板;我国山推公司开发的采用先导[15] T. Tsujia，Y. Nakagawaa(3-D DEM simulation of 操纵的推土板等。 cohesive soil-pushing behavior by bulldozer blade(Journal of Terramechanics，Vol.49，No.1，参考文献: February 2012:37–47 [16] 丛茜，王连成，任露泉,等(波纹非光滑仿生推土References: 板减粘降阻的试验研究[J](建筑机械，1996，3:[1] 杨士敏，张铁(工程机械地面力学与行驶理论28-30 [M](西安:陕西科学技术出版社，2000:1-211 [17] 程霜梅(波纹形曲面仿生推土板表面数学建模及[2] 杨士敏，傅香如(工程机械地面力学与作业理论优化设计[D](硕士学位论文(保存地点:吉林[M](北京:人民交通出版社，2010:263-271 大学，2004 [3] 崔占荣，李建桥，李因武,等(不同工作介质中模[18] 王国林，任露泉，陈秉聪(波纹型推土板减粘降型铲刀推土阻力的变化规律[J](吉林大学学报，阻的有限元分析[J](农业工程学报，1997(12):2003，33(3):9-13 23-26 [4] Yang Qinsen，Sun Shuren(A soil-tool interaction [19] 吴传玉(铲土运输机械铲掘阻力形成机理研究model for bulldozer blades[J](Journal of [D](硕士学位论文(保存地点:吉林大学，2011 Terramechanics，1994，Vol.31，No.2:55-65 [20] [苏联]B?H?巴洛夫涅夫(合理地确定推土机铲刀的[5] 杨士敏(推土机作业过程中推土阻力的测量[J](工基本参数[J](张庆生编译(铲土运输机械，程机械，1995，3:20-37 1990:1-10 [6] 胡随平(推土机铲刀与土壤相互作用试验系统和方[21] 徐东云(轮式推土机工作装置的结构及工作原理法研究[D](硕士学位论文(保存地点:长安大学，[J](建筑机械化，2004，4:60-61 2008 [22] 王国林，任露泉，殷继红等(凸包型推土板减粘[7] 秦四成，张盾， 黄海东,等(推土机作业过程的现降阻的有限元分析[J](吉林工业大学学报，1997，场试验[J](建筑机械，1995，10:23-24 4:80-85 [8] 秦四成，张盾金年会-金字招牌诚信至上，屈冰峰,等(推土机推土铲作业阻[23] 章崇任(新型推土板[J](工程机械与维修，2010，力的试验测量[J](建筑机械，1995，11:38-39 12:168-169 [9] 秦四成，张盾，屈冰峰(推土机推土阻力测试信号 时间历程分析[J](筑路机械与施工机械化，1997， 14(71):8-9

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