（机械电子工程专业论文）推土机铲刀与土壤相互作用试验系统和方法研究.pdf

摘要 推土机通过铲刀与外界作业介质( 如土壤、砂石等) 发生相互作用，从而完成各种 作业工况。推土机铲刀与土壤相互作用过程及其机理的研究是设计和使用推土机的基 础。推土机铲刀与土壤相互作用理论是工程机械地面力学中工程机械工作装置与工作介 质相互作用理论的重要研究内容。 推土机铲刀与土壤相互作用试验研究的方法通常包括整机现场试验和模型铲刀室 内土槽试验。整机现场试验主要受到作业环境限制，试验条件难以保证。模型铲刀室内 土槽试验除需要一定规格的土槽和牵引台车外，由于采用模型铲刀，试验结果未能完全 反映原型铲刀与土壤相互作用的过程和机理。综合分析上述两种方法的优缺点，本论文 依托长安大学工程机械多功能综合试验台，构建了原型铲刀室内土槽试验研究系统。 该试验系统包括铲刀牵引系统、铲刀切深控制系统、传感器和试验数据采集与处理 系统等，各子系统构成一个有机体，可以较好满足推土机铲刀与土壤相互作用研究的基 本需要。 推土机铲刀与土壤相互作用试验研究中测量铲刀推土阻力是一项重要内容。本论文 采用在工程机械试验研究中广泛应用的八角环测力传感器来测取铲刀推土阻力。根据试 验要求，布置了八角环测力传感器在试验台车上的位置。在分析各八角环受力状态的基 础上，研制了满足试验要求的八角环测力传感器，并进行了传感器性能标定。标定结果 显示，所研制的八角环性能良好。 本论文进行了四种推土机铲刀与土壤相互作用试验方法研究，包括推土机铲刀推土 阻力试验、单位切削阻力试验、振动切土试验和减粘降阻试验等。在推土机铲刀推土阻 力试验中，给出了试验总体方案，确定了试验条件，组建了测试系统。由于推土机铲刀 推土阻力时间历程具有非平稳性质，本论文讨论了此种时间历程的处理方法。在单位切 削阻力试验中，由于影响因素较多，采用了正交试验法。在振动切土试验中，给出振动 切土功率消耗试验研究方法。在铲刀减粘降阻试验中，根据减粘降阻机理，提出了几种 试验方案。 本论文构建的试验系统和提出的试验方法为今后全面地进行推土机铲刀与土壤相 互作用研究提供了有价值的参考。 关键词：推土机铲刀，多功能试验台，八角环测力传感器，试验系统，试验方法 a bs t r a c t b u l l d o z e rc o m p l e t e se a c hk i n do fo p e r a t i o n sb ys o i l b l a d ei n t e r a c t i o n i ti ss i g n i f i c a n tt o s t u d yt h es o i l b l a d ei n t e r a c t i o np r o c e s sa n dm e c h a n i c si nr e s e a r c h i n gt h ep e r f o r m a n c e ，d e s i g n a n du t i l i z a t i o no fb u l l d o z e r s t h es o i l b l a d ei n t e r a c t i o nt h e o r yi st h ei m p o r t a n tr e s e a r c h c o n t e n to fm u t u a l l ya f f e c t so ft h ec o n s t r u c t i n gm a c h i n e r y sw o r kd e v i c e sa n dw o r km e d i u m i nt h ec o n s t r u c t i n gm a c h i n e r yt e r r a m e c h a n i c sa n dt r a v e lt h e o r y t h et e s tm e t h o d so fs o i l - b l a d ei n t e r a c t i o nh a v eu s u a l l yt w ok i n d s ：f i e l dt e s ta n dm o d e l b l a d ei n d o o rs o i lb i nt e s t t h ，ef i e l dt e s ti sm a i n l yr e s t r i c t e db yt h ew o r ke n v i r o n m e n t ，a n dt h e t e s tc o n d i t i o n sa r ed i f f i c u l tt ob eg u a r a n t e e d t h em o d e lb l a d ei n d o o rs o i lb i nt e s tn e e d s c e r t a i ns p e c i f i c a t i o ns o i lb i na n dh a u l i n gv e h i c l e b e c a u s eo fu s i n gm o d e lb l a d ei nt h es o i lb i n t e s t ，t h et e s tr e s u l t sc a nn o tr e f l e c tc o m p l e t e l yt h ep r o c e s sa n dm e c h a n i c so fs o i l b l a d e i n t e r a c t i o n c o m p a r e dw i t ht h et w ot e s tm e t h o d sa b o v e - m e n t i o n e d ，t h i sp a p e rh a sc o n s t r u c t e d ab u l l d o z e rb l a d ei n d o o rs o i lb i nt e s tr e s e a r c hs y s t e mb a s e do nt h ec o n s t r u c t i n gm a c h i n e r y m u l t i - f u n c t i o nt e s tp l a t f o r mo fc h a n g a nu n i v e r s i t y t h i sb u l l d o z e rb l a d ei n d o o rs o i lb i nt e s tr e s e a r c hs y s t e mc o n s i s t so fb l a d eh a u l i n gs y s t e m ， b l a d ec u t t i n gd e p t hc o n t r o ls y s t e m ，s e n s o r sa n dd a t ag a t h e r i n ga n dp r o c e s s i n gs y s t e ma n ds o o n v a r i o u ss u b s y s t e m sc o n s t i t u t ea no r g a n i s m ，i tc a nw e l lm e e tt h ep r i m a r yn e e d so f b u l l d o z e rb l a d ei n d o o rs o i lb i nt e s tr e s e a r c h t h eb u l l d o z e rb l a d ew o r kr e s i s t a n c em e a s u r e m e n ti st h ei m p o r t a n tr e s e a r c hc o n t e n ti nt h e s o i l b l a d ei n t e r a c t i o nt e s t i nt h i sp a p e r , o c t a g o n a lr i n gd y n a m o m e t e r sa r eu s e dt os e n s et h e b u l l d o z e rb l a d ew o r kr e s i s t a n c e ，w h i c ha r ew i d e l ya p p l i e di nt h ec o n s t r u c t i n gm a c h i n e r yt e s t r e s e a r c h a c c o r d i n gt ot h et e s tr e q u e s t s ，o c t a g o n a lr i n gd y n a m o m e t e r sa r ea r r a n g e do nt h e c 0 1 t e c tp o s i t i o no ft h ec o n s t r u c t i n gm a c h i n e r ym u l t i - f u n c t i o nt e s tp l a t f o r m t h eo c t a g o n a l r i n gd y n a m o m e t e r sh a v eb e e nd e s i g n e du n d e rt h ea n a l y s i so fs t r e s s f u lc o n d i t i o no fe a c ho n e a n dh a v eb e e nc a l i b r a t e dl a t e nt h ec a l i b r a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ep e r f o r m a n c e so ft h e o c t a g o n a lr i n gd y n a m o m e t e r sa r eh i g h t h i sp a p e rs t u d i e sf o u rk i n d so ft e s tm e t h o d so ft h es o i l - b l a d ei n t e r a c t i o nf o rb u l l d o z e r ： i n d o o rs o i lb i nt e s tm e t h o do fb u l l d o z e rb l a d ew o r kr e s i s t a n c e ，u n i tc u t t i n gr e s i s t a n c et e s t m e t h o d ，v i b r a t o r ys o i lc u t t i n gt e s tm e t h o da n da d h e s i o nr e d u c i n gt e s tm e t h o d i nt h ef i r s tk i n d ， t h et e s tm e t h o da n dc o n d i t i o n sh a v e b e e ng i v e n ，a n dt h em e a s u r e m e n ts y s t e mh a sb e e ns e tu p b e c a u s et h eb u l l d o z e rb l a d ew o r kr e s i s t a n c et i m eh i s t o r yr e c o r d sa r en o n s t a t i o n a r y , t h i sp a p e r d i s c u s s e st h ep r o c e s s i n gm e t h o do fw h i c h i nt h es e c o n dk i n d ，o r t h o g o n a lt e s td e s i g nh a sb e e n u s e di nt h ec o n s i d e r a t i o no ft h el a r g ei n t e r a c t i o ne l e m e n t sr e l a t e dt oc u t t i n gr e s i s t a n c e i nt h e t h i r dk i n d ，t h et e s tm e t h o do fp o w e r c o n s u m p t i o ni nv i b r a t o r ys o i lc u t t i n gh a sb e e ng i v e n i n t h el a s tl 【i n d ，a c c o r d i n gt ot h em e c h a n i c so fa d h e s i o nr e d u c i n go ft h eb l a d e ，s o m ev a l u a b l et e s t s c h e m e sh a v e b e e ng i v e n t h et e s ts y s t e ma n dt e s tm e t h o di nt h i sp a p e rp r o v i d es o m ev a l u a b l er e f e r e n c e sf o rt h e f u t u r eo v e r a l ls o i l b l a d ei n t e r a c t i o nr e s e a r c h k e yw o r d s ：b u l l d o z e rb l a d e ；m u l t i - f u n c t i o nt e s tp l a t f o r m ；o c t a g o n a lr i n gd y n a m o m e t e r s ；t e s t s y s t e m ；t e s tm e t h o d 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任伺 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：鞠了毫孕 z 卯脾岁月矽日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：胡1 】錾争 导师签名：扬j 极。 m 。j 年箩月z 罗日 乙场y 年夕月多d 日 长安大学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 推土机铲刀与土壤相互作用研究的意义 推土机是土方工程机械中的一种基本设备。它可以独立完成铲土、运土、卸土、回 填、清理施工现场、平整场地、铲除树根草木等多种作业。推土机不仅在土建工程中有 广泛的用途，它在交通、水利、采矿、农林及国防工程中也得到充分地运用【1 1 。推土机 铲刀是推土机主要的工作装置，推土机通过铲刀与外界作业介质( 如土壤、砂石等) 发 生相互作用，从而完成各种作业工况。推土机铲刀与土壤相互作用过程及其机理的研究 是设计和使用推土机的基础。 推土机铲刀与土壤相互作用过程是工程机械工作装置与工作介质相互作用理论的 重要研究内科2 1 。推土机进行铲土作业时，推土机负荷是推土机内部一切动态现象的基 本来源【3 1 。推土机负荷对发动机、行走机构和推土机整机性能有着重要影响。推土机负 荷可以看作推土机一地面系统结构模型的输入参数，而推土机的行使速度、牵引功率、 燃油消耗、比油耗等一系列动力性和燃料经济性的指标则以输出响应的形式表现出推土 机在动态条件下的实际作业性能。因此，研究推土机铲刀与土壤相互作用是研究推土机 动力性能和燃料经济性以及评价推土机动态性能的基础，也是建立推土机动态系统的数 学模型的基础。 推土机通过铲刀与土壤相互作用而进行工作，其大部分能量消耗在切削土壤上【2 】。 通过对铲刀与土壤相互作用过程的物理、力学本质的研究，可以找到降低铲挖能量和设 计高效、合理工作部件的有效途径。 推土机作业过程中，推土机载荷具有随机性质，可以用随机变量来描述。推土机上 绝大部分零件在上述随机载荷的作用下将发生疲劳损坏【4 1 。通过推土机作业试验研究， 获取相关参数，编制推土机载荷谱，可以为提高推土机产品的性能和可靠性提供依据 【5 】【6 】 0 研究推土机铲刀与土壤的相互作用，从设计机器的角度来看将有利于更为合理地确 定机器的结构参数，从而充分发挥各个总成的工作能力和提高机器的整机性能。从机器 的使用观点来看，它将有助于解决如何在具体的使用条件下充分发挥机器的性能和效 益，从而建立机器的合理使用规范和施工的最优化方法。 1 2 推土机铲刀与土壤相互作用研究的现状 推土机负荷对推土机的性能有着重要的影响。许多学者进行了推土机铲刀与土壤相 第一章绪论 互作用中推土机总推土阻力的测量及试验数据相关分析，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们。对于推土机来说，总的推土阻力可通过测 量铲刀提升油缸销轴和铲刀顶推架支承销轴处受力情况来获得，测力传感器多采用电阻 应变片。模型铲刀室内土槽试验时，模型铲刀悬挂在牵引台车上进行，测力传感器多选 择八角环传感器。八角环测力传感器可同时测量推土机铲刀在纵向平面内的水平分力、 垂直分力和弯矩，从而可以方便而准确地确定作用在铲刀上工作阻力的大小、方向和作 用点，因而在铲刀工作阻力的测量上得到广泛的应用【l l - 13 1 。 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【1 4 】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 个工序作业阻力变化过程，并指明了各种变化产生的原因。成 凯【巧1 对推土机在风化岩和原生土物料中作业的推土机外载荷进行了测定和分析，通过对 试验数据进行幅值域和频率域处理，发现提升油缸销和推杆销受力呈双峰型分布规律， 并且其应力频率成分主要是低频成分。 崔占荣【1 6 】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。并且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。 y a n gq i n s e n 和s u ns h u r e n 1 7 】也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参数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。 推土机作业阻力的研究也是推土机牵引动力学和动态性能研究的重要内容。所谓 “动态性能 是指机器在工作负荷不断变化的动态条件下所显示的动力性和燃料经济 性。孙祖望【3 】建立了机器一地面系统的结构模型，并给出了推土机负荷的非平稳数据模型 和处理方法。该机器一地面系统结构模型将推土机负荷变化的概率统计特性作为整个机 器动态系统的输入参数，机器的行驶速度、牵引功率、燃油消耗、比油耗等一系列动力 性和燃料经济性指标则以输出响应的形式表示出机器一地面系统的相互作用的最终结 果。 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 2 长安大学硕士学位论文 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【18 1 。 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【l9 1 。铲刀与土壤 粘附特性的研究属土壤一固体粘附系统范畴，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 等现象视为土壤一机器系统的一部分，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一机器系统的性能方程。 1 3 推土机铲刀与土壤相互作用的研究方法 在铲刀与土壤相互作用的研究中，根据问题的性质、条件和具体情况通常采用以下 研究方法： 1 经验法。该方法通过反复试验的办法，寻找描述土壤与铲刀相互作用状态的各个 机械特性参数及它们的对应关系，建立经验公式。经验公式中变量之间的关系往往不属 于严格地建立在基本物理力学规律上的理论关系，所涉及参量也往往是复合性的非唯一 的量，因而适用范围较窄，所传递的有关过程内部本质的信息有限。崔占荣【l6 】对于试验 数据，利用逐步回归法，在给定的置信度下，得到不同介质条件下的模型铲刀推土阻力 回归方程，建立了模型铲刀推土阻力在不同工作介质中的数学模型。o w e n t 2 0 】通过对试 验数据的回归分析得出推土阻力在不同切削速度下的经验公式。 、惫一 2 半经验法。一般是在试验观察与分析的基础上，依据莫尔一库伦剪切失效准则和 被动土压力理论，采用刚体静力学法或塑性极限平衡法，利用力系平衡建立推土板推土 阻力模型。y a n gq i n s e n 和s u ns h u r e n 1 7 1 在观察和分析大量试验的基础上，认为土壤切 削过程分为地表铲刀前集土移动和地面下刀刃切削土壤两个过程，建立了铲刀与土壤相 互作用数学模型，给出了铲刀水平阻力和垂直铅垂阻力表达式；p a y n e l 2 1 】详细地研究了 与前进方向成直角的直立推土板与土壤之间的相互作用，他根据被动土压力理论，在定 性地观察土壤对垂直推土板的反应的基础上，建立了窄型垂直推土板与土壤相互作用的 二维力学模型；后之明和刘燕【2 2 】利用摩擦单元分析法分析了三维土壤切削问题；张淑敏 和赵弈呖【2 3 】利用传感器研究了推土板和模型铲刀工作面粘附摩擦力对工作阻力的影响。 3 理论分析法。该方法是将所需要的土壤一机器相互作用分解为少数不能忽略不计 的基本性能( 或行为) ，识辨各性能所包含的特性，用基本物理力学法则描述这些特性， 从而建立一套包括基本参数，并能得出所有输入变量相互作用的结果的定量化性能方程 式，并经实验验证。真正成立的理论解的优点是适用于大范围的环境变化，精度较高， 第一章绪论 但往往复杂而费时费力。随着计算机技术的发展，数值解析方法以及其他高科技方法很 大的提高了理论分析法在地面机器系统研究中的应用【2 4 1 。 现代数值分析方法主要包括有限单元法、离散单元法、边界元法和有限差分法等。 其中有限单元法和离散单元法在研究中有较多的应用。将有限单元法正确用于预测模型 需考虑以下两个问题：一是选择合适的土壤应力应变本构关系；二是采用合理的切削 部件一土壤相互作用计算模型。离散单元法是为分析离散单元的集合而建立的，计算需 要大量的时间。离散单元法的应用同样存在土壤应力一应变本构关系的选择问题，而且 离散单元参数的获取主要靠经验和半经验公式，其参数对计算结果的影响十分复杂。陆 怀民【2 5 】采用粘弹性帽盖模型对工程机械切土部件与粘性土壤的相互作用过程进行了有 限元分析，建立了土壤切削二维有限元理想化模型。 神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，简称朋州) 是近年来研究较多、发展较快和 应用范围很广泛的一种建模方法。由于人工神经网络具有自学习、联想记忆、自适应和 非线性逼近等功能，可在不具备对象的先验知识的基础上，根据对象的输入输出数据直 接建立模型，非常适用于复杂的非线性系统。针对土壤与触土部件相互作用反应过程复 杂、影响因素众多的特点，k u s h w a h l 2 6 】等研究了如何应用人工神经网络技术建立土壤与 触土部件相互作用的数学模型。将触土部件形状参数、运动参数和初始土壤状态作为径 向基函数( r b f ) 神经网络的输入，将推土阻力、能耗、最终土壤状态以及触土部件的 磨损作为径向基函数( r b f ) 神经网络输出，建立了土壤与触土部件相互作用的r b f 神 经网络模型。 基于仿生理论与技术，研究人员对地面机械触土部件的表面仿生非光滑设计进行了 大量的分析及试验研究，仿生非光滑推土板、仿生犁壁、装载机仿生铲斗等地面机械触 土部件显示出了良好的减粘降阻性能，可大大提高生产效掣2 7 1 。 4 模型试验和因次分析方法【2 1 。模型试验就是把自然物理现象中一切与车辆工作过 程有关的的因素按一定的比例缩小，并将该现象搬到试验室的土壤中来观察和试验，然 后再把观察和实验得到的结果用一定的比例放大，从而得到发生于原形中的物理现象。 模型试验要求模型系统所有的参数相对于原形系统有各自对应的比例，这就要求不仅在 几何方面，而且在动力学方面达到相似。模型试验法可以很好的控制所有的试验参数， 尤其是试验条件，对于一些简单基本的概念可以很快、很经济的进行推断。某些干扰因 素也易于消除或至少减轻其干扰程度。有时用模型试验的方法不能解决微观局部现象， 那就要用实物原型试验。 4 长安人学硕士学位论文 推土机铲刀与土壤相互作用的研究手段包括现场试验和土槽试验。现场试验是在实 际工作条件下进行的，因而现场试验的结果将最为真实地反映推土机铲刀的实际工作性 能。但现场试验不仅受到气候条件的限制，在不同现场以及同一现场的不同位置，土壤、 水分以及地面的平整程度也有变化，这些都将影响试验的结果，难于联系推土机铲刀与 土壤相互作用的因果关系。因此，各种式样的试验土槽就成为推土机与铲刀相互作用研 究上的重要设备。土槽的式样、尺寸和附属设备可依要求而确定。土槽不受气候、时间 等条件的限制，换土方便，且具有适当的准确度。土槽试验对于机械土壤动力学的理论 研究和发展起到重要的作用，但也存在着土壤参数的复杂性和试验结果干扰因素过多、 试验周期长、数据分散性大和重现性差等问题。 综上所述，在室内土槽进行推土机铲刀模型或原型试验是一种基本的研究方法，这 要求具有相应的土槽和试验台车等设备，尤其对于原型铲刀室内土槽试验来说，需要大 尺寸的土槽和具有较高性能试验台车。 1 4 课题的提出 长安大学正在建设的工程机械多功能综合试验台用于牵引各种常见的工程机械工 作装置进行试验，研究工程机械工作装置与工作介质相互作用过程及机理。作者参与了 长安大学工程机械多功能综合试验台的建设，该试验台已完成主体部分的加工制造，但 控制系统和测试系统还不完善，工作装置的安装方式及试验方法的研究均未进行。推土 机铲刀与土壤相互作用的研究是典型的铲土运输机械工作装置与工作介质相互作用研 究内容，本论文以试验台的建设为契机，重点研究了基于试验台的推土机工作装置与土 壤相互试验系统与试验方法，企图结合试验台的基本功能和推土机试验方法要求，建立 一套完整的推土机工作装置试验系统，包括推土机工作装置自动切深控制系统、传感器 系统、数据采集与处理系统等，可满足基本的铲刀与土壤相互作用试验研究的需要。同 时，本论文研究内容可为其它工程机械如压路机、铣刨机、平地机、摊铺机等的基于试 验台的试验系统和试验方法研究提供参考，从而对完善和提高工程机械多功能综合试验 台的性能做出贡献。 1 5 本论文的主要研究内容 本论文依托长安大学“2 11 工程”“工程机械多功能综合试验台 建设项目，进一步 完善该试验台的测试系统功能，研究基于该试验台的推土机铲刀与土壤相互作用试验方 法。本论文的研究内容如下： 第一章绪论 1 在分析铲刀与土壤相互作用研究内容的基础上，对所要构建的推土机铲刀与土壤 相互作用试验系统将要进行的试验研究内容进行总体规划。 2 依托工程机械多功能综合试验台构建推土机铲刀与土壤相互作用试验系统，对该 试验系统中各子系统进行设计研究。各子系统分别为：铲刀牵引系统，铲刀切深控制系 统，传感器和数据采集与处理系统。 3 论文着重对测力系统中关键传感器一八角环测力传感器进行研制。分析八角环测 力传感器的工作原理，结合铲刀在试验台上的安装情况，确定八角环测力传感器的安装 位置，对作用在铲刀上的力系进行简化，对铲刀最大工作阻力进行理论预测，在以上工 作基础上进行八角环测力传感器的结构设计和强度校核。最后对所研制的八角环测力传 感器进行标定。 4 结合所构建的试验系统，进行推土机铲刀与土壤相互作用试验方法的研究，包 括推土机铲刀推土阻力试验，铲刀单位切削阻力试验，铲刀振动切土试验和铲刀减粘降 阻试验等。 6 长安大学硕士学位论文 第二章推土机铲刀与土壤相互作用研究规划 对推土机铲刀与土壤相互作用研究进行规划，是构建一个科学和高效的铲刀与土壤 相互作用试验系统的第一步也是关键的一步，这将作为构建该试验系统的依据和指导思 想。铲刀与土壤相互作用研究内容极为丰富，本章将从几个主要方面进行研究规划。 2 1 推土机铲刀切削阻力研究 推土机铲刀切削阻力的研究主要是为了探求铲刀与土壤相互作用的原理与规律，研 究影响切削阻力的各种影响因素，以利于合理设计和使用铲刀工作部件。 2 1 i 目前研究现状 铲刀型工作部件是常见的土方机械工作部件，其与土壤相互作用过程十分复杂，它 引起土壤的各类形式的变形和各种摩擦力1 1 8 】。 铲刀与土壤相互作用过程和下列因素有关：铲刀工作部件的结构和几何参数，如形 状、尺寸，切削刃的形状及其尖劈角；机器的运动学特点，如运行轨迹、切削角的变化 等；土屑的参数，如宽度、厚度及其比值，断面面积；铲刀与土作用的方式( 基土的自 由面数) ；土的物理机械性质，如压缩、剪切、断裂阻力，内外摩擦角，密实度、湿度 世 手0 在铲刀与土壤相互作用过程中，土壤一般产生压缩、剪切和很少的拉伸变形，并且 伴随土的断裂，土与工作面的摩擦，铲刀与地面的摩擦以及土本身之间的摩擦。 工作部件与土壤相互作用时，土体的变形情况可用单元工作元件和切削断面压入和 切削土的情况来简化描述。 单元工作元件指的是平面压模、楔、圆锥体等单元件。把这类单元压入土体时，主 要产生土的压缩变形。在弹塑性、脆性或松散的土中，还产生沿土体滑移面的剪切变形。 在压模侧面与土之间产生摩擦力，由于在压模底部下面土中压实区的运动，造成土间的 摩擦。当把平面压模、楔和锥体压入土体时，还将产生土体的拉断变形。 切削断面指的是用切削刃片制成截面形状不同的切削元件。当用切削断面水平切削 土时，切削元件的前刃口使土产生压缩、剪切、拉伸等变形，对于粘性土还产生拉断变 形。此外，切削时还产生土壤与切削元件前刃口、土壤与切削断面内表面之间的摩擦。 铲刀形工作部件作业时，土沿工作表面的滑移阻力和土堆沿地面的移动阻力在总工 作阻力中占有很大比重，仔细研究这一情况，对于确定工作部件的合理参数和工况有重 要意义。 7 第一二章推土机铲刀与土壤相互作用研究规划 推土机作业时，不仅要使土屑与基土分离，而且还要推移、堆集在切削刀具前方的 拖曳土堆，并使切下的土屑穿过拖曳土堆而翻转到刀具的前方。 推土机铲刀是按土壤切削原理进行工作的，切削阻力占整个工作阻力的很大部分。 沿铲刀运行轨迹切线方向作用的合力称为铲挖力。推土机铲挖力表达式为： e = e + k + e r e ( 2 1 ) 式中：e 一推土机铲挖力； e 一切削力； 民一推移拖曳土堆的力； k 一用于克服土屑穿过拖曳土堆阻力的力； 然而，由于土的非均匀性质，以及影响铲挖力的因素十分复杂，目前通用的计算方 法大多是建立在试验基础上的一些经验公式。例如，在计算推土机铲刀切削力f o 时，常 采用以下经验公式： f o = p 。a 。 ( 2 2 ) 式中：p 。一平均单位铲挖力，其值用试验方法确定，从i 到v 级土，对于铲刀型工 作部件p 。= 1 6 - - - 4 2 5 n c m 2 ； a 。一土屑截面的平均面积。 平均单位铲挖力p 。取决于下列因素： 1 土的物理一机械性能：土的压缩比阻、拉断比阻、弯曲比阻和剪切比阻，土的 弹性模量、剪切模量，土与土、土与钢的摩擦系数，土的密度。 2 铲刀和土屑的形状与参数：土的受挤压面积，铲刀切削刃口磨损表面面积和长 度，土屑的厚度和面积。 3 铲刀与土相互作用过程中的运动学参数：切削角，轨迹角。 可见，影响平均单位铲挖力的因素十分复杂，因此有必要通过大量试验研究探求平 均单位铲挖力与众多影响因素之间的内在因果联系。 2 1 2 试验台试验内容规划与设想 影响铲刀切削阻力的因素较多，如铲刀工作部件的结构和几何参数，铲刀的运动学 特点，土屑的参数，铲刀与土壤作用的方式( 基土的自由面数) ，土的物理机械性质等。 由于受到试验条件的限制，目前大多采用模型铲刀室内土槽试验，而且通常就某一种或 几种影响铲刀切削阻力的因素进行试验，试验条件各异，试验结果的对比性和可利用性 长安大学硕二l 学位论文 较差。长安大学拥有大型室内土槽和试验台车，可进行原型铲刀切削阻力试验研究。试 验研究中对土壤性能参数进行严格选择和规定，研究原型铲刀在不同土壤中切削阻力的 规律。在某一选定土壤中，除了铲刀的结构和几何参数外，可以改变其它因素，如铲刀 的切土速度，切土深度，切削方式等。这样可以期望得到一套完整的铲刀切土阻力规律 试验研究报告。因为试验研究中使用的是某一确定的原型铲刀，且因为在室内土槽进行 试验，试验条件可以严格控制，因此试验结果的对比性、准确性和实用价值等将会得到 提高。这是一个系统工程，所得到结果至少较全面准确地研究清楚了某一原型铲刀切土 阻力规律，当然此试验研究的结果还可以得出一些除却铲刀结构和几何参数作为影响因 素之外的其它理论上的结论。 2 2 推土机铲刀推土阻力研究 2 2 1 目前研究现状 目前推土机铲刀推土阻力的研究是和推土机牵引性能和动态特性结合在一起的。推 土机铲刀推土阻力的研究是推土机牵引性能研究的重要准备，推土机用来克服铲刀推土 阻力的那部分牵引力即为推土机的有效牵引力。如果将推土机视为一个系统，那么推土 阻力可以看成这个系统的输入，它是引起推土机动态性能发生变化的外在激励和原因。 在对推土机作业工况进行严格控制的条件下，可以获得推土机典型工况下的推土阻力时 间历程记录，对其进行分析，找到了推土阻力变化规律。推土阻力的测量通常采用应变 电测技术，这需要选取合适的测量位置，通常选择铲刀顶推杆销轴和铲刀提升油缸销轴 处作为测量位置。 推土机载荷谱的研究是推土机铲刀推土阻力研究的另一个重要方面。将推土阻力时 间历程和发动机转速、变速箱输入端扭矩、转速和推土机两侧驱动链轮扭矩、转速等的 时间历程结合起来，对其进行概率统计意义上的分析，即可获得推土机载荷谱，这可作 为推土机零部件强度设计的依据。 目前推土阻力试验研究方法分为整机现场试验和模型铲刀室内土槽试验。整机现场 试验，受作业环境限制，试验条件难以保证。模型铲刀室内土槽试验，不能完全反映原 型铲刀推土阻力变化规律。 2 2 2 规划与设想 在室内土槽进行原型铲刀推土阻力试验研究，既可以对试验条件进行严格控制，又 因为试验研究中使用了原型铲刀，实验结果将更为真实。可以设想在严格控制试验条件 9 第二章推十机铲刀与十壤相互作用研究规划 的情况下，利用原型铲刀室内土槽试验，可以较为方便的获得铲刀在不同土壤类型中的 推土阻力时间历程记录。对试验结果进行时间序列分析，继之建立不同土壤类型中典型 作业工况下推土阻力动态数据模型。一方面，这可作为推土机模拟试验系统的输入信号， 用它来控制室内模拟试验系统进行推土机整机、总成、部件、零件等相关研究。另一方 面，通过原型铲刀室内土槽试验获得的比较完备的推土阻力试验数据和动态数学模型， 可以作为推土机智能化或无人控制的重要理论基础。 2 3 推土机铲刀减粘降阻研究 2 3 1 目前研究现状 目前由于人们对于粘附机理还不十分清楚，且影响粘附的因素较多，还没有设计出 应用简便，且有通用性的较优方法和技术。其中较成熟的是机械式和充气式装置，但它 们普遍结构复杂而笨重，有待深人探索和研究。 1 充气及充液式减粘脱土法 气、液润滑是向土壤与铲刀间连续注入气体或液体，使界面形成气垫或液层，避免 土壤与工作机构的表面直接接触，减少粘附面积，并在排除土壤粘附现象的同时，大大 降低土和铲刀及土和土的摩擦力。这是提高推土机生产率的一种方法，此法需要供应润 滑剂的专用装置。下图2 1 所示为一种气体润滑减粘脱土法在推土机上的用，但其结构 复杂而笨重，有待深人探索和研究。 图2 1 气体润滑工作装置原理图 1 气流；2 铲刀；3 分配室。 2 机械式减粘脱土法 选择弹性及链节式零件来设计一特殊的触土部件，使与土壤接触表面的部分具有 一定的弹性和挠性，以减少与土壤接触表面的粘性，有利于脱土。 图2 2 所示是一种挖掘粘性土壤的铲斗。其结构特点是具有活动挠性斗底( 它是 由相互铰接的纵向钢板制成) ，且斗底两侧向板能作纵向移动。在铲斗装满土时，活动 l o 长安人学硕十学位论文 斗底自由下垂，并向下鼓出。卸载时，弹性斗底在自重作用下力图往相反方向垂落，从 而将土壤从斗底卸出，同时两侧板自动清理侧臂大面积粘土。推土机可以借鉴此种方法 来达到减粘降阻。 图2 2 带弹性元件的铲斗 刮削方法是用刮刀或刮板强制土壤与工作部件表面的粘附剥离，剥离后的粘附土靠 自重脱落。例如，当用锹去挖掘粘土，需要清除铁锹表面的土壤时，根据经验，用铁丝 制成刮土器即可得到满意的效果。虽然如此，将此挖土器装到推土机铲刀或者铲斗上却 十分复杂，有待于进一步研究出可行的结构。 2 3 2 规划与设想 最直接的一个设想是，将机械式和充液或充气式两种方法结合起来使用，比如，在 铲刀上安装弹性元件，结构可以参照图2 2 ，同时，可以在铲刀上配置充气或者充液装 置，以形成气垫或者液层，结构可参照图2 1 。 试验研究中，需要研究注入气体或者液体的压力、流量以及注入形式对铲刀减粘降 阻的作用效果。充气或充液何种方式适合哪种土壤这也需要通过试验研究来探索。另外， 对于某一种减粘降阻方式，铲刀的切土深度或者铲刀的推进速度也会有所影响。在减粘 降阻试验研究中，铲刀推土阻力尤其是水平推土阻力应该作为一个重要的测量参数，它 是评价减粘降阻效果最直接的指标。 2 4 土壤的振动切削研究 2 4 1 目前研究现状 土壤振动切削可分两类，一类是顺着铲刀推进方向的振动切土，另一类是垂直于铲 刀推进方向的振动切土。前者切削土壤的方向仅有一个，称为一维切削；后者切削土壤 的方向有两个，即铲刀推进方向和与推进相垂直的方向，称为二维切削。二维切削较之 一维切削具有切削效率高、动力消耗少等特点【2 8 3 0 1 。 铲刀不振动时铲刃插入阻力可应用土力学原理加以分析，其表达式为： p n = l + p q + e o ( 2 3 ) 第_ 二章 推土机铲月与土壤相互作用研究规划 式中：p n 一铲刃阻力； r 一土壤自重引起的阻力； p a 一土壤水平方向单位面积压力引起的阻力： p n 一由土壤粘聚力引起的阻力。 振动铲刃在插入土体的同时，在前进的垂直方向上、下拍打土体，其运动轨迹为一 条波浪线，铲刃运动模型如图2 3 所示： 图2 3 振动铲刃运动模型 1 铲刀：2 铲刃；3 土坡。 铲刀的角位移方程为： 秒( t ) = 口( 1 - c o s c o t ) ( 2 4 ) 式中：口一角振幅； c o 一振动圆频率； t 一时间变量。 z 一铲刃长度： 铲刃任意时刻运动方向与水平方向的夹角为： 艿= a r c t gl l o ( t ) v 。j( 2 5 ) 式中： y 。一铲刀插入土体速度。 此时，铲刃阻力由两部分组成，一部分为土体剪切破坏阻力，另一部分为土体流动 惯性力。由于土体流动的数量很小，将土体流动惯性力略去。振动时铲刃插入阻力为： r n = ( r ，+ r q + r 。) c o s 万 ( 2 6 ) 铲刀铲刃振动切土阻力与不振动切土阻力存在实质性差别的原因在于振动时铲刃 于土壤的主要作用方向不是铲刀前进方向，而是与之垂直的方向。振动切土时，铲刀铲 刃当量厚度( 铲刀铲刃阻力与铲刃厚度成正比，将振动切土铲刃阻力与不振动时铲刃阻 1 2 长安大学硕上学位论文 力的比值之分母化简为铲刃厚度，则其分子表达式即为铲刃当量厚度) 为变量，随着铲 刃插入速度与振动频率的改变而改变。铲刀插入速度越低，振动频率较高，铲刃振幅较 大时，当量铲刃厚度越小。当量铲刃厚度越小，插入阻力也越小，这是振动二维切削减 小铲刃阻力的机理。 2 4 2 规划与设想 振动切土中，铲刀振动方式的实现是关键。上述内容使用了铲刃振动的方式。试验 研究中，可以考虑在铲刀上加装激振装置，使整个铲刀发生可以控制的振动，从而实现 振动切土，当然这需要对铲刀的安装方式进行适当调整。另外，通过铲刀操纵油缸的液 压脉动也可以实现铲刀的振动切土。 2 5 本章小结 本章总结和分析铲刀与土壤相互作用研究的几个重要方面，包括推土机铲刀切削阻 力研究，铲刀推土阻力研究，铲刀减粘降阻研究和振动切土研究等。在此基础上对所要 构建的推土机铲刀与土壤相互作用试验系统以后将要进行的有关试验研究内容和方法 进行了规划和设想，这是构建该试验系统的依据和指导思想。 第三章推七机铲刀与土壤相互作用试验系统研究 第三章推土机铲刀与土壤相互作用试验系统研究 推土机铲刀与土壤相互作用的研究手段包括现场试验和土槽试验。现场试验是在实 际工作条件下进行的，因而现场试验的结果将最为真实地反映铲刀与土壤相互作用的实 际情况。但是现场试验不仅受到气候条件的限制，而且在不同现场以及同一现场的不同 位置，土壤、水分以及地面的平整程度也有变化，这些都将影响试验结果的准确性。因 此，各种形式的室内试验土槽就成为研究铲刀与土壤相互作用的重要设备。土槽的式样、 尺寸和附属试验设备可按照试验要求确定，试验研究时不受气候、时间等条件的限制。 土槽土壤准备方便，并且具有适当的准确度。土槽试验对于机械一土壤动力学的理论研 究和发展起到重要的作用，但也存在着土壤参数复杂、试验结果的干扰因素过多、试验 周期长、数据分散性大等一系列问题。 本论文依托长安大学工程机械多功能综合试验台来构建铲刀与土壤相互作用试验 系统。和传统室内土槽试验研究不同的是，该试验台可进行原形铲刀与土壤相互作用的 研究，较之模型铲刀室内土槽试验，试验结果将更加真实