平地機(jī)鏟刀弧面載荷分布研究

儲(chǔ)鹍 楊立超 周兵

摘 ?要：在鏟掘介質(zhì)的平地機(jī)鏟刀圓弧表面上布置薄膜應(yīng)力應(yīng)變傳感器，獲得入土角-5°、15°、35°及正鏟、斜鏟姿態(tài)下的載荷變化特征，研究沿圓弧面各節(jié)點(diǎn)縱、橫向上的受力變化曲線形態(tài)，借鑒積分原理計(jì)算傳感器涵蓋范圍內(nèi)的鏟刀體應(yīng)力應(yīng)變平均值;利用ANSYS軟件對整個(gè)鏟刀體關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位置施加載荷，通過仿真分析對比逆向加載結(jié)果與實(shí)驗(yàn)時(shí)作業(yè)介質(zhì)與鏟刀間載荷的差異，獲得鏟刀的最佳鏟掘姿態(tài)及弧面載荷分布規(guī)律。

關(guān)鍵詞：鏟刀姿態(tài);弧面應(yīng)力應(yīng)變測試;鏟掘效果云圖

1引言

鏟刀體是土方類作業(yè)機(jī)器常見的、共性工作部件，然而在該領(lǐng)域的研究并未受到足夠的重視，目前有關(guān)這方面的研究資料也較少，不能滿足現(xiàn)有鏟掘體的優(yōu)化、改進(jìn)及試制的需求。目前解決該類問題的主要途徑之一：對宏觀與微觀構(gòu)成的非線性鏟掘類作業(yè)系統(tǒng)——采用仿真分析與研究，僅憑模擬、假設(shè)對介質(zhì)、鏟刀體進(jìn)行孤立的研究和分析，其邊界條件受到拆解、結(jié)果準(zhǔn)確性受到束縛，沒能在耦合作用機(jī)理研究方面取得應(yīng)用與突破。

2剛散技術(shù)使用背景及范疇

本文基于散體顆粒物料的非連續(xù)、非線型性等特征，引用其他領(lǐng)域中成熟驗(yàn)證的研究方法開展剛散作業(yè)機(jī)理特性探索。實(shí)驗(yàn)方法可以獲取真實(shí)的數(shù)據(jù)，但基于離散物料作業(yè)其規(guī)律性及重復(fù)性較差，導(dǎo)致分析及規(guī)律研究受到局限性，無法逆向驗(yàn)證、反饋及載荷曲線重復(fù)再現(xiàn)，通過薄膜應(yīng)變測試實(shí)驗(yàn)結(jié)合ANSYS仿真技術(shù)可以解決相互之間的驗(yàn)證需求，仿真可以指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)方法的改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)可以為仿真精度保證提供數(shù)據(jù)載入，獲得弧形結(jié)構(gòu)載荷變化規(guī)律特征參數(shù)及邊界束縛條件下的最優(yōu)弧線結(jié)構(gòu)，提高介質(zhì)耦合機(jī)理計(jì)算的精度及準(zhǔn)確性。

3鏟刀體受載測試實(shí)驗(yàn)

參照《GB/T8506-2008平地機(jī)實(shí)驗(yàn)方法》中的測量方法，獲取鏟刀外形尺寸參數(shù)，開展鏟刀體鏟掘載荷分布測試及不同區(qū)域位置上的曲線變化規(guī)律研究，試驗(yàn)測試應(yīng)遵循但不局限于本規(guī)程，對鏟掘過程中弧面載荷分布進(jìn)行系統(tǒng)測試與分析。

以5×8或7×8的規(guī)格在鏟刀體表面上安裝薄膜傳感器，其一表面與鏟刀體工作表面緊密貼合，鏟掘時(shí)介質(zhì)與薄膜應(yīng)變計(jì)的另一表面貼合，薄膜應(yīng)變計(jì)表面用軟性的膠帶防護(hù)，鏟刀體下表面設(shè)有防切割的薄鐵皮裝置，薄膜應(yīng)變計(jì)的信號傳輸線通過鏟刀體上方的凹槽引出并連接到數(shù)據(jù)采集儀器上，構(gòu)建一個(gè)鏟刀體載荷的實(shí)時(shí)測量系統(tǒng)。

按照作業(yè)介質(zhì)工況的分類，基于土壤力學(xué)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)具有典型代表性的沙土介質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試及分析，因作業(yè)過程中整機(jī)的前中后輪胎產(chǎn)生一定的浮動(dòng)，導(dǎo)致鏟刀切削深度、角度呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，所測試數(shù)據(jù)不具備單一性、連續(xù)性，本實(shí)驗(yàn)采用挖取輪胎寬度固定導(dǎo)向槽的方式來控制鏟刀左右高度及鏟刀體姿態(tài)等相關(guān)問題。

為了進(jìn)一步的驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果，按照試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)布置方式使用ANSYS軟件進(jìn)行載荷的加載并模擬仿真計(jì)算，將標(biāo)定后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入仿真模型進(jìn)行計(jì)算，對比實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果間的差異所在，獲得鏟刀體工作過程中的載荷變化規(guī)律及應(yīng)力應(yīng)變集中區(qū)域，改進(jìn)優(yōu)化鏟刀體結(jié)構(gòu)參數(shù)，使得鏟刀體工作裝置實(shí)現(xiàn)輕量化，對不同區(qū)域的載荷情況進(jìn)行分解、分級處理可以獲得縱橫向上的載荷變化規(guī)律，通過鏟刀姿態(tài)的調(diào)整，獲得總體載荷較小，受載均勻的鏟掘姿態(tài)特征，為整機(jī)的姿態(tài)控制及鏟掘效率的提升提供數(shù)據(jù)支撐。

4數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)過程中通過控制油缸的伸縮變化來變換鏟刀體的入土角度（姿態(tài)），對比最大、中間及最小角度下的正鏟、斜鏟等6種姿態(tài)下的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，同時(shí)將對標(biāo)產(chǎn)品進(jìn)行相同的測試分析。沿鏟刀圓弧面從上到下按1、2…8進(jìn)行分組編號，可以研究介質(zhì)沿鏟刀弧面翻滾狀態(tài)下的載荷變化規(guī)律。

通過調(diào)整鏟刀體的入土角度及正斜鏟姿態(tài)調(diào)節(jié)，對比測試曲線結(jié)果獲知：

（1）分析GR180平地機(jī)正鏟狀態(tài)下，鏟刀體沿圓弧3、5號點(diǎn)位置受到載荷較大，其它位置受到載荷較小，通過入土角度的改變，發(fā)現(xiàn)35°入土角時(shí)1、2受力?。ㄝ^6、7、8點(diǎn)），而-5°入土角時(shí)1、2位置受力較大（較6、7、8點(diǎn)）;因4號點(diǎn)位測量數(shù)據(jù)滿量程圖中未標(biāo)出其曲線變化規(guī)律。

（2）斜鏟狀態(tài)下，鏟刀體沿圓弧5、6號點(diǎn)位置受到載荷大小較大，其它位置受到載荷較小，通過入土角度的改變，發(fā)現(xiàn)35°入土角時(shí)1、2、3、4受力小（較7、8點(diǎn)），而15°入土角時(shí)1、2、3、4位置受力較大（較7、8點(diǎn)）。

（3）仿真分析獲知沿弧線方向遵循從上到下逐漸變大趨勢，并在橫向上關(guān)于中心位置對稱分布，實(shí)驗(yàn)測試與仿真結(jié)果趨勢接近一致。

5結(jié)論

（1）通過鏟刀體正、斜鏟及大、中、小入土角度的對比，可獲知正鏟狀態(tài)下、35°入土角徐工鏟刀總體受力較CAT的載荷大;且鏟掘入土角對鏟刀體受力影響比正、斜鏟姿態(tài)影響大，說明鏟刀體入土角度是產(chǎn)生裝置阻力的首要因素之一。

（2）獲得35°入土角工況下正、斜鏟截然相反的結(jié)論;斜鏟姿態(tài)下，35°入土角徐工鏟刀體總體受力均值小于對標(biāo)的CAT，說明鏟刀體受力不僅僅與入土角度大小有關(guān)，還與正斜鏟姿態(tài)相關(guān)聯(lián)，并且正斜鏟姿態(tài)隨入土角變化呈現(xiàn)不同變化特征。

參考文獻(xiàn)

[1] ?李靜海，歐陽潔，高士秋.顆粒流體復(fù)雜系統(tǒng)的多尺度模擬.北京：科學(xué)出版社，2009.