基于平面鏟板結(jié)構(gòu)改進的土壤切削阻力試驗研究

賀雨田,呂彭民,桂發(fā)君

(1.長安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安 710064；2.西安特種設(shè)備檢驗檢測院，陜西 西安 710065)

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基于平面鏟板結(jié)構(gòu)改進的土壤切削阻力試驗研究

賀雨田1,2,呂彭民1,桂發(fā)君1

(1.長安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安 710064；2.西安特種設(shè)備檢驗檢測院，陜西 西安 710065)

通過分析平面鏟板對土壤切削的理論模型，研究平面鏟板在90°切削傾角下對土壤的切削過程；為減小該切削傾角下的切削阻力，對平面鏟板進行結(jié)構(gòu)改進，在其刃緣加裝6種不同長度的水平鏟刀；以平面鏟板和結(jié)構(gòu)改進的L型鏟板為切削工具，以級配土為試驗對象，采用自行研制的拉拽式土壤切削試驗裝置進行土壤切削試驗研究；通過對比分析發(fā)現(xiàn)，對鏟板進行結(jié)構(gòu)改進后，由于水平鏟刀對土壤的剪切作用，使切削過程中的切削阻力顯著減?。凰界P刀長度在不同切削深度下存在一個最優(yōu)值，但切削深度較小時該值并不明顯；最后，根據(jù)試驗結(jié)果，對不同切削深度下水平鏟刀的長度進行優(yōu)選；采用優(yōu)選值代替最優(yōu)值，擬合出了水平鏟刀長度隨切削深度的變化曲線，并對加裝水平鏟刀導(dǎo)致切削阻力減小的內(nèi)在機理進行分析。

平面鏟板;土壤切削;剪切;切削阻力;切削深度;水平鏟刀

土壤切削是土方機械主要的作業(yè)過程，由于土壤的物理特性復(fù)雜，土壤切削過程中的切削阻力也具有隨機特征，準確測定切削阻力是對土方機械作業(yè)性能進行評價和優(yōu)化的基礎(chǔ)[1-3]。改善土壤切削過程的切削阻力，不僅可以在作業(yè)過程中使機械能耗得到有效改善，而且可以為設(shè)計提供參考依據(jù)，特別是在當前能源大量耗費的社會背景下，節(jié)能降耗已成為土壤切削研究非常重視的一個問題[4]。切削阻力的影響因素較多[5]，可以將其分為兩類，一類是內(nèi)因，由土壤內(nèi)在的物理特性決定，如抗剪強度、密度和含水量等；另一類是外因，由機械與土壤的相互作用關(guān)系決定，包括鏟刀結(jié)構(gòu)、切削速度、切削傾角和切削深度等。吳娜等[6]對蜣螂唇基曲面形狀的挖土切割過程進行了研究，認為這種天然的優(yōu)化形狀對減小挖掘阻力有重要作用；王國慶[7]以非飽和土壤為切削對象，采用有限元仿真建立了高速切削理論模型，為降低切削的比能耗進行了有益的探索;Miedema[8]分析了土壤切削的破壞機制，根據(jù)被切削材料的類型，將破壞機制分為4種失效模型：分別是卷邊破壞、流動破壞、剪切破壞和撕裂破壞，并指出了各種破壞模型的適用情況;郭志軍等[9-10]針對農(nóng)業(yè)耕作部件仿生曲線結(jié)構(gòu)的特點，引入了縱深比的概念，對不同縱深比下的力學(xué)特性進行了研究，并采用有限元方法對不同準線的耕作部件進行切削阻力計算；趙丹等[11]針對隧道施工掘進過程中的盾構(gòu)機，建立了滾刀和切刀的塑性力學(xué)模型；NASA[12]為了提高月球挖掘設(shè)備的使用可靠性，對測試切削阻力和八種土壤切削力學(xué)模型進行了比較，并建議在較小切削深度下開展作業(yè)。盡管眾多專家在土壤切削阻力和切削過程進行了研究，也建立了一些計算模型，但由于土壤切削過程較為復(fù)雜，影響切削阻力的因素較多，且土壤內(nèi)在的一些因素又是不可控的，這給準確的定量分析帶來很大困難。本文利用作者研發(fā)的試驗裝置，通過試驗研究的方法，探索通過改變外因條件采用減少切削阻力的方法和途徑。

1　切削理論

土壤切削過程較為復(fù)雜，但土壤的物理特性相對穩(wěn)定時，對于確定的切削工具切削阻力仍遵循一定的變化規(guī)律。平面鏟板由于其簡單的結(jié)構(gòu)，在理論和試驗研究中是被廣泛使用的土壤切削工具，通常情況下，平面鏟板的切削阻力隨著切削位移的增加逐步增大，當達到滿載狀態(tài)后，切削阻力趨于穩(wěn)定，繼續(xù)對土壤進行切削，切削阻力將在一個穩(wěn)定值上下波動。

在土壤切削過程中，可以根據(jù)平面鏟板對土壤的作用分解為兩部分作業(yè)運動的合成：其一是鏟板插入地面以下部分對土壤的切削作業(yè)，其二是鏟板在地面以上部分對切削土壤的推運作業(yè)[13]，其切削土壤的切削機理如圖1所示。參數(shù)v為切削速度，d為切削深度，h為地面以上對土壤進行推運作業(yè)的最大高度，該值在達到穩(wěn)定狀態(tài)時基本是不變的，H為切削過程的最大觸土深度；切削過程存在一個失效面，當切削阻力趨于穩(wěn)定時，失效面也基本是確定的，也就是說，此時鏟板在地面以下部分對土壤的切削作業(yè)和地面以上部分對土壤的推運作業(yè)都趨于穩(wěn)定狀態(tài)，實際情況下為一條曲線，在應(yīng)用分析時可簡化為一條直線，該直線與水平面的夾角β為土壤的剪切角；由于切削過程中土壤不斷堆積，對土壤剪切的失效區(qū)域存在堆積土壤的重力作用，在計算土壤剪切力時，需要考慮該力的作用，可近似看作均布力q；土壤剪切和推運過程伴隨著土壤的流動，在重力作用下，土堆中心斷面形成的曲線可以近似為一條直線。

圖1　土壤切削過程的穩(wěn)定狀態(tài)Fig.1 Steady state of soil cutting process

與上述土壤切削機理相對應(yīng)，切削過程的切削阻力也可以認為是兩部分力的合成：一部分是土壤的摩擦力和重力，另一部分土壤的內(nèi)聚力[14]。當平面鏟板以90°切削傾角條件下切削土壤，鏟板上的切削阻力無重力的直接作用，因此，重力的作用在該條件下可以忽略。

2　試驗過程

2.1試驗裝置

試驗裝置為自行研制的引拽式土壤切削設(shè)備，拉拽作業(yè)在礦山施工中經(jīng)常被采用，是一種非常經(jīng)濟的作業(yè)方式[15]。設(shè)備為矩形結(jié)構(gòu)，長為4 000mm，寬為1 200mm，高為240mm，主要由剛性框架導(dǎo)軌、鏟板車架、牽引裝置和拉力傳感器組成，結(jié)構(gòu)三維圖如圖2(a)所示。卷揚機構(gòu)固定在矩形框架上，通過鋼絲繩牽引車架，在鋼絲繩與車架之間安裝拉力傳感器，車架與車軸固定，安裝在車軸兩端的車輪沿導(dǎo)軌運動，實現(xiàn)鏟板對土壤的切削。為了使試驗過程簡單有效，該裝置有三處主要的結(jié)構(gòu)改進：①切削過程采用拉拽牽引方式，減小了偏載對切削過程數(shù)據(jù)采集的影響，提高了切削過程的相對穩(wěn)定性，且該切削方式可以通過一個拉力傳感器實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，使試驗過程更簡單；②采用V型車輪，嵌入上下兩根由角鋼形成的導(dǎo)軌，導(dǎo)軌固定焊接在矩形框架上，使車輪在垂直和水平方向均被約束，避免了單軌裝置在切削過程中經(jīng)常因車輪脫軌而發(fā)生切削翹尾現(xiàn)象，如圖2(b)所示；③鏟板與車架的固定方式采用螺栓連接，車架前支撐板上有兩處垂直槽，鏟板可以方便地沿槽的方向進行切削深度的調(diào)整，如圖2(c)所示。

(a)三維視圖；(b)車輪與導(dǎo)軌縱向剖面圖；(c)車架支撐板垂直槽圖2　試驗裝置Fig.2 Testing apparatus

在整個切削試驗過程中，為了簡化數(shù)據(jù)分析，試驗過程將設(shè)備機械系統(tǒng)的摩擦阻力考慮成土壤切削阻力的一部分，采用一個綜合的水平牽引力表征切削阻力，忽略垂直力以及導(dǎo)軌和車架之間滾動摩擦阻力的影響。試驗采用了2種結(jié)構(gòu)，一種為平面鏟板，另一種為改進結(jié)構(gòu)，即在傳統(tǒng)的平面鏟板上加裝了水平鏟刀，結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖3(a)為平面鏟板(可視為水平鏟刀長度為0)，圖3(b)為加裝水平鏟刀的L型鏟板。水平鏟刀長度分別選擇為15，30，45，60，75和90mm；試驗還確定了30，60，90和120mm4種切削深度。

(a)平面鏟板；(b)L型鏟板圖3　鏟板結(jié)構(gòu)Fig.3 Blades structure

2.2土壤物理特性

切削土壤是由50%的河砂、20%旱砂和30%黃土構(gòu)成的級配土，通過篩分試驗，獲得了級配土的不同粒徑所占總質(zhì)量的比例，見圖4。每次切削試驗完成后對土壤回填并進行人工壓實，為保證切削試驗的準確性，選擇兩個點測定土壤密度，各次土壤密度的測試值在1.5-1.7g/cm3之間。

3　試驗結(jié)果

根據(jù)上述試驗過程，對7種鏟板結(jié)構(gòu)和4種不同切削深度組合，共完成28組試驗，試驗過程的切削速度恒定，大小約為0.12m/s，每次切削試驗的用時基本在20s左右，試驗最短用時大于15s，雖未完成整個可移動位移上的切削，但對切削阻力均值并無顯著影響。因設(shè)備原因，試驗過程會出現(xiàn)卡阻、切削不穩(wěn)定等現(xiàn)象，但這僅出現(xiàn)在少數(shù)切削過程中，且均在試驗過程的15s以后，因此，所采集數(shù)據(jù)能反應(yīng)切削過程的實際變化情況。

土壤切削試驗的整個切削過程比較平穩(wěn)，切削過程中，隨著鏟板的移動，鏟板前端土壤逐漸堆積，當切削阻力相對穩(wěn)定時，土堆也基本成穩(wěn)定形態(tài)，圖5(a)為切削過程中鏟板前端土壤的堆積情況；所有L型鏟板在平面鏟板與水平鏟刀的直角空間內(nèi)會產(chǎn)生土壤滯留區(qū)，該區(qū)域的土壤在切削過程中是不流動的，圖5(b)為退刀后仍滯留在直角空間內(nèi)的土壤，根據(jù)對試驗的觀察，有水平鏟刀條件下切削過程均是相似的。

圖4　土壤級配曲線Fig.4 Grading curve of soil

(a)切削過程的土壤堆積；(b)退刀后L型鏟板的土壤滯留圖5　土壤切削試驗Fig.5 Soil cutting test

圖6分別給出了4種切削深度下，無水平鏟刀的平面鏟板和加裝水平鏟刀的L型鏟板的切削阻力隨位移變化的對比曲線，測試結(jié)果的橫坐標為位移，除切削深度為120mm時無水平鏟刀條件下的切削位移小于2m外，其余有效值均超過2m，縱坐標為切削阻力。圖中黑色曲線為無水平鏟板條件下切削阻力變化情況，粉色曲線為加裝水平鏟刀條件下的變化曲線。通過對曲線的對比可以看出，加裝水平鏟到后切削阻力得到有效改善，而且切削阻力的波動也明顯減小。

(a)切削深度H=30 mm；(b)切削深度H=60 mm(c)切削深度H=90 mm；(d)切削深度H=120 mm圖6　不同切削深度下切削阻力對比變化曲線Fig.6 Variation curves of cutting resistance under different cutting depth

4　對比分析

隨著切削深度的增加，不同深度切削試驗條件下切削阻力均增加，近似呈線性關(guān)系，見圖7。在不同切削條件下，切削深度為30mm且水平鏟刀長度為90mm時的切削阻力略有增加，這與土壤在水平鏟刀上大量堆積關(guān)系密切，該條件下，在L型鏟板直角處形成一個較大的不流動區(qū)域，在切削過程中，不僅要切削土壤，而且需要推動不流動區(qū)域堆積的土壤，因此，會導(dǎo)致切削阻力增大；其余有水平鏟刀條件下的切削阻力較無水平鏟刀條件下均減小，不同切削深度下減小百分比如圖8所示。

圖7　切削阻力在不同切削條件下隨深度變化曲線圖Fig.7 Variation curves of cutting resistance with depth under different cutting condition

圖8　不同切削深度下切削阻力減小百分比Fig.8 Cutting resistance percentage decrease under different cutting depth

4種切削深度下切削阻力隨水平鏟刀長度均呈現(xiàn)“大—小—大”的變化趨勢，如圖9所示。從曲線的變化規(guī)律看，水平垂直鏟板在一定切削深度下加裝水平鏟刀，可以有效減少切削阻力，且水平鏟刀長度對切削阻力的影響存在一個最優(yōu)值；根據(jù)試驗結(jié)果對不同切削深度下水平鏟刀的長度進行優(yōu)選，切削深度為120mm和90mm時水平鏟刀的優(yōu)選值分別為60mm和30mm；這兩種條件下的優(yōu)選值與最優(yōu)值應(yīng)基本是一致的。

為了更準確的判斷切削深度為60mm和30mm條件下水平鏟刀的最優(yōu)長度，加做了這兩種切削深度下水平鏟刀長度為10mm的切削試驗，試驗所得切削阻力均大于水平鏟刀為15mm條件下的切削阻力，這表明切削深度為60mm和30mm條件下水平鏟刀的最優(yōu)值均接近15mm。從試驗結(jié)果看，水平鏟刀最優(yōu)值隨切削深度的變化遵循切削深度減小水平鏟刀最優(yōu)長度也減小的規(guī)律，但切削深度減小到30mm時，水平鏟刀最優(yōu)長度的減小趨勢并不明顯，且加裝10，15和30mm的水平鏟刀時切削阻力相差不大，這與切削阻力由土壤剪切破壞和土壤推運兩部分力組成有關(guān)。當切削深度較小時，推運土壤產(chǎn)生的阻力是切削阻力的主要影響因素，而地面以下鏟板切削土壤對切削阻力的影響將減小，從而出現(xiàn)了切削深度較小時切削阻力在一個水平鏟刀長度范圍內(nèi)相差不大的現(xiàn)象。因此，切削深度越小，水平鏟刀對土壤的剪切影響也越小，假設(shè)鏟板不切削土壤而單純做推土作業(yè)，也就是切削深度d為0時，在摩擦較小的條件下，水平鏟刀理論上在一定范圍內(nèi)對切削阻力將不產(chǎn)生影響，故上述現(xiàn)象符合變化規(guī)律。

圖9　切削阻力在不同切削深度下隨水平鏟刀長度變化曲線Fig.9 Variation curves of cutting resistance with length of horizontal blade under different cutting depth

根據(jù)試驗結(jié)果，忽略切削深度為30mm條件下所對應(yīng)優(yōu)選值的點，將切削深度為120，90和60mm時水平鏟刀的優(yōu)選值60，30和15mm近似為最優(yōu)值，可獲得3個坐標點，再加上零點，通過4點擬合出水平鏟刀長度隨切削深度的變化曲線，擬合結(jié)果如圖10所示。圖中縱軸粗直線與水平粗直線構(gòu)成了試驗給定切削深度下L型鏟板的最佳結(jié)構(gòu)。

根據(jù)鏟板結(jié)構(gòu)改進對土壤進行切削阻力的試驗可以看出，當切削深度一定時，水平鏟刀存在一個最優(yōu)值使切削阻力最小，這一現(xiàn)象的原因在于水平鏟刀對土壤的垂直剪切作用。無水平鏟刀時，平面鏟板對土壤的剪切為土壤整體受壓狀態(tài)下的強剪過程；加裝水平鏟刀后，水平鏟刀對土壤會產(chǎn)生垂直剪切作業(yè)，使土壤在切削過程中提前分為上下兩層，從而使鏟板對上層土壤剪切作用力減小，因此，切削阻力也隨之減小。但水平鏟刀長度較小時，上下分層范圍太小，長度較大時，又會出現(xiàn)摩擦阻力較大和分層土壤較多而導(dǎo)致推土阻力較大的現(xiàn)象，因此，在確定深度下水平鏟刀長度存在一個最優(yōu)值，使切削過程的切削阻力最小。

圖10　水平鏟刀長度最優(yōu)值與切削深度變化關(guān)系曲線Fig.10 Curves of optimum length of horizontal blade with cutting depth

5　結(jié)論

1)影響平面鏟板對土壤切削過程切削阻力的因素較多，通過結(jié)構(gòu)改進是優(yōu)化切削阻力的有效途徑，平面鏟板在90°切削傾角下對土壤進行切削時，加裝水平鏟刀可以減小切削阻力、改善切削過程的穩(wěn)定性，且該方法在實際應(yīng)用中比較容易實現(xiàn)，可以作為一種改善工程施工的方法。

2)當切削深度一定時，水平鏟刀長度對切削阻力的影響一定存在一個最優(yōu)值，在對不同水平鏟刀長度進一步細分的基礎(chǔ)上，該最優(yōu)值可以通過切削試驗近似獲得；

3)繪制了水平鏟刀長度與切削深度變化關(guān)系曲線，當切削深度較深時，水平鏟刀最優(yōu)值較為明顯，但切削深度較小時，水平鏟刀長度在一個范圍內(nèi)對土壤切削阻力的影響相近；

4)分析了水平鏟刀可導(dǎo)致切削阻力減小的原因，結(jié)合實際應(yīng)用可以判斷，不同切削深度下加裝最優(yōu)長度的水平鏟刀可以最大程度上減小切削阻力，但不同切削深度下的最佳切削阻力在應(yīng)用效率上同樣存在最優(yōu)工作狀態(tài)。

5)試驗過程未考慮試驗裝置的機械摩擦，從試驗結(jié)果看，當切削深度不大時，試驗數(shù)據(jù)存在一定誤差，隨著切削深度的不斷增加，由試驗裝置的機械摩擦引起的切削阻力誤差可以忽略不計。

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Experimental study of soil cutting resistance based on structural improvement of flat blade

HE Yutian1,2,LU Pengmin1,GUI Fajun1

(1.KeyLaboratoryofRoadConstruction&EquipmentofMOE,Chang’anUniversity,Xi’an710064,China;2.Xi’AnSpecialEquipmentInspectionInstitute,Xi’an710065,China)

Accordingtoanalysisoftheoreticalmodelforsoilcutting,cuttingprocessofbladeundercuttinganglewith90degreewasinvestigated.Inordertoreducecuttingresistanceofthisconditionduringsoilcuttingprocess,thestructureimprovementwasimplemented,andsixadditionalhorizontalbladeswithdifferentlengthwasinstalledtoblade-edge.Sevengroupsofgradingsoilcuttingtestswithself-designedpullingtractiontestingapparatuswasexperimentallystudied.Basedonthecomparison,wefoundthathorizontalbladewasabletoreducecuttingresistanceeffectivelyduetotheshearactiononsoil.Therewasanoptimumlengthvalueofhorizontalbladeunderdifferentcuttingdepth,butitisnotevidentwhenthecuttingdepthissmall.Onthebasisofresults,preferredlengthvaluesofhorizontalbladeunderdifferentcuttingdepthweredetermined.Thecurvesoflengthofhorizontalbladewithcuttingdepthwasfittedbyreplacingpreferredvalueswithoptimalvalues,andthemechanismofdecreaseofthecuttingresistancewasanalyzed.

flatblades；soilcutting；shear；cuttingresistance；cuttingdepth；horizontalblade

2015-11-28

國家科技支撐計劃資助項目(2015BAF07B02)

呂彭民(1957-)，男，陜西渭南人，教授，從事機械動態(tài)仿真與優(yōu)化設(shè)計及結(jié)構(gòu)抗疲強度與可靠性研究；E-mial：lpmin@chd.edu.cn

TU411

A

1672-7029(2016)07-1261-07