裝載機鏟斗切削刃形狀對鏟裝性能影響研究

范丹丹，徐武彬，李 冰，黃中一

(廣西科技大學 機械工程學院，廣西 柳州 545006)

0 引言

裝載機是常見的施工機械之一，集鏟、裝、運、卸于一體，由鏟斗、動臂、連桿、搖臂、轉斗油缸和動臂油缸等組成的工作裝置是其重要的工作部件[1]，主要實現物料的鏟裝作業(yè)過程。工作裝置中的鏟斗部件主要由切削刃板、斗底壁、后壁、側刃、擋板以及鉸接耳板按一定形位尺寸拼接而成[2]，在作業(yè)過程中直接與物料接觸，由切削刃提供插入時主要的切削力，因此合理的鏟斗形狀有利于減少鏟裝阻力，提高鏟斗鏟裝性能，從而提高整機的工作效率與生產能力[3]。

然而，工程機械領域前期的研究對鏟斗斗形結構與作業(yè)過程中的阻力之間的關系關注并不多，難以有效地通過鏟斗斗型的合理設計來實現作業(yè)過程的高效節(jié)能。究其原因主要有兩點：

(1)鏟斗的設計仍處在模擬設計和經驗設計階段[4]，鏟斗斗型參數對鏟斗性能的影響機理的研究不夠系統(tǒng)深入。最早根據“回轉半徑法”進行鏟斗設計[5]，以回轉半徑為設計參數，用相關系數確定鏟斗幾何形狀；劉述學等[6]研究認為回轉半徑不是獨立的設計參數，受鏟斗其他結構參數影響；張維良等[7]在此基礎上提出“四參數法”，通過鏟斗的主要參數及參數比值確定鏟斗形狀，其優(yōu)點在于減少了經驗系數的使用，簡化了計算過程；石沛林等[8]在合理斗形基礎上進行相似設計，減少了經驗系數的使用。Jonas Helgsson[9]對鏟斗各參數進行了對比研究，通過優(yōu)化參數組合設計鏟斗，認為切削刃的合理設計能明顯提升鏟斗性能;文獻[10]圍繞切削刃展開研究，對切削刃形狀進行了經驗性變形，取得了不錯的效果，分別從切削刃磨損、破壞機理、焊接工藝、插入角度對鏟斗切削刃進行了研究分析。但是，上述開展的鏟斗設計及切削刃優(yōu)化等研究并沒有深入揭示出切削刃參數對鏟斗鏟裝性能的影響關系。

(2)鏟斗作業(yè)阻力的獲取主要以經驗公式和試驗手段為主，自1973年來，已提出50多種經驗模型，但效果都不太理想[14]；而試驗方法[15]受鏟裝對象、試驗環(huán)境、試驗方法和次數影響，重復性、變量控制等問題難以保證。因此，在產品設計之前，需要對產品設計進行科學的規(guī)劃，指導實際設計工作，確保產品設計的質量[15]。

為設計合理的鏟斗形狀以減少鏟裝阻力，提高鏟裝性能，本文首先基于離散元素法，從散體力學的角度獲取更為精確的可重復性的作業(yè)阻力，以此為依據揭示切削刃對鏟裝性能的影響，提出了在滿足鏟斗斗容設計的前提下，鏟斗切削刃和參數設計的新方法，并對現有幾種切削刃進行了鏟裝性能的評估分析，對企業(yè)的優(yōu)化設計與生產實踐具有參考價值。

1 切削刃對鏟裝性能影響分析

裝載機工作可分為插入、鏟裝、舉升、重載運輸、卸載、空載運輸等工況。在插入和掘起工況中，作業(yè)阻力復雜多變，本文主要從插入和掘起工況展開分析。

1.1 鏟裝性能

鏟裝過程中，鏟裝性能主要包括鏟裝作業(yè)阻力、鏟裝扭矩、鏟裝質量等。其中：鏟裝阻力主要包括水平作業(yè)阻力和豎直作業(yè)阻力，水平作業(yè)阻力影響裝載機的牽引力，豎直作業(yè)阻力影響裝載機前輪的夾緊力，并提供更高的牽引力，進而影響裝載機功率匹配和鏟裝效率；鏟裝扭矩為裝載機工作時前進方向上的扭矩，主要影響鏟斗插入時的受力分布情況，進而影響鏟斗插入方向；鏟裝質量為裝載機實際鏟裝完成后鏟斗內剩余物料質量，鏟裝質量直接影響鏟裝效率。

1.2 作業(yè)過程分析

為精確獲取作業(yè)阻力的大小，需要綜合考慮物料顆粒間的相互作用、物料與機械零部件間的相互作用等關系。本文采用散體力的基本理論，引入離散元素法展開研究。以某企業(yè)1.2 t鏟斗原型為基礎，針對碎石工況下的鏟裝作業(yè)情況進行研究，具體研究路線如圖1所示。

Herz-Mindlin(No-Slip)接觸模型的力學模型為“彈簧—緩沖配置”，適用于散體顆粒間力學計算且具有計算效率高等特點。本文采用該模型建立顆粒接觸模型，并借此求解碎石顆粒間的接觸力，其法向力基于赫茲接觸理論，切向力基于Mindlin-Deresiewicz理論，且法向和切向力均含阻尼分量，切向摩擦力遵循庫倫摩擦定律，并通過“轉矩模型”模擬滾動摩擦。

法向力是法向重疊量δn的函數：

(1)

法向阻尼力：

(2)

切向力是切向重疊量δt的函數：

F(et，ij)=-Stδt；

(3)

切向阻尼力：

(4)

切向力同時受摩擦力μsFn的限制，其中μs為靜摩擦系數，并通過接觸表面施加扭矩τi=-μrFnYiωi模擬滾動摩擦，其中：μr為滾動摩擦系數，Yi為接觸點與質心距離，ωi為接觸點的單位角速度矢量。根據顆粒間的力與位置關系求解受力，再利用牛頓第二定律F=ma計算顆粒加速度，積分計算顆粒位移變化，迭代循環(huán)得到所有接觸任意時刻的力、位移和位置信息。

建模過程中，為使物料模型更接近實際情況，本文采用逆向工程原理，借助HandySCAN700三維激光掃描儀獲取碎石外表面特征，填充后形成物料顆粒，經級配后形成料堆模型。設計了滾動摩擦系數測定裝置、靜摩擦系數測定裝置等相關裝置建立更精準的物料特性參數，實驗裝置如圖2所示。

經實驗測定材料屬性與材料接觸屬性如表1所示，相關仿真與實驗對比表明了模型的準確性[17]。

表1 材料屬性表與材料接觸屬性

由表1數據建立料堆模型，實驗與仿真的料堆模型對比：仿真模型自然安息角為35.08°，實驗測得安息角為35.8°。仿真模型安息角略小于實驗安息角是由于仿真物料尺寸較實驗物料顆粒大小作了簡化處理，對此采用物料顆粒級配進行修正，結果已達到了更好的一致性。

圖3所示為鏟斗鏟裝過程分析曲線，圖3a～圖3c橫軸表示插入時間，縱軸表示受力大小。圖3d橫軸表示插入時間，縱軸表示扭矩大小。由圖3可知，最大水平作業(yè)阻力與最大扭矩出現在轉斗開始時，最大豎直阻力出現在轉斗一定角度后，與實際鏟裝過程相符，且同樣可測得鏟裝質量情況。

1.3 切削刃形狀對鏟裝性能的影響

根據裝載機鏟裝物料的不同，常見的切削刃包括直線型和非直線型兩大類。其中非直線型主要有V形和M形等形狀，如圖4所示。

本文分別對直線型、M型、V型3種不同切削刃形狀基于相同工況進行相應鏟裝分析，對每種測試模擬采集50次的鏟裝樣本參數進行分析。如圖5所示為各切削刃形狀對鏟裝性能的影響，圖5a和圖5b分別表示不同切削刃類型最大水平阻力和最大豎直阻力;圖5c表示不同切削刃類型最大扭矩情況;圖5d表示不同切削刃類型鏟裝質量情況。

從圖5a可知，M型切削刃在相同鏟裝情況下水平阻力最小，從考慮水平作業(yè)阻力最小的角度進行分析設計，采用M型切削刃設計更為有利;豎直作業(yè)阻力主要是由物料對鏟斗的壓力以及物料對鏟斗的摩擦力引起的，而從圖5b和5d圖可以看出，V型切削刃在保證最小的豎直作業(yè)阻力的同時鏟裝質量也處于最低水平，而平直切削刃在保證鏟裝質量的同時具有相對較小的豎直作業(yè)阻力;從圖5c可看出V型切削刃鏟裝扭矩最小，更有利于減少鏟斗的偏載插入。

1.4 切削刃角度對鏟裝性能的影響

切削刃角度指切削刃與水平方向的夾角，如圖4a中∠α所示。除切削刃形狀會對鏟裝性能影響外，切削刃角度對鏟裝性能的影響也不容忽視。為揭示切削刃角度對鏟裝性能的影響，本文針對M型切削刃，在4°～12°范圍內變化切削刃角度大小，對

每種測試模擬采集的50次鏟裝樣本參數進行對比分析，如圖6所示。圖6a表示M型切削刃最大水平、豎直阻力及合力情況;圖6b和圖6c分別表示對應鏟裝扭矩和鏟裝質量情況。

由圖6可知，M型切削刃在改變其角度時，受力情況變化較大。在8°時，其鏟裝合力與豎直阻力達到最大；在10°時，其水平方向上插入阻力處于最小值。鏟裝扭矩在切削刃角度為4°時最小，其鏟裝質量成下降趨勢。

針對V切削刃，在10°～20°范圍內變化切削刃角度大小，對每種測試模擬采集的50次鏟裝樣本參數進行對比分析，如圖7所示。圖7a表示V型切削刃最大水平、豎直阻力及合力情況;圖7b和圖7c分別表示對應鏟裝扭矩和鏟裝質量情況。

由圖7可知,V型切削刃在改變其角度時，合力與豎直阻力隨之增大，10°時水平方向上插入阻力最??；12°時鏟裝扭矩最小，鏟裝質量隨角度變化逐漸增大。

2 實例

選用合理高效的切削刃可以提高生產效率，減少能源消耗，而目前切削刃的選擇全憑個人經驗，沒有具體的設計標準和指導。因此，從鏟斗切削刃形狀對鏟斗性能的影響出發(fā)，在碎石物料工況下，評估某企業(yè)3種常用切削刃的鏟裝性能，為切削刃選擇提供指導。

2.1 鏟斗模型的建立

對某企業(yè)1.2 t鏟斗裝配3種常用的切削刃進行鏟裝性能對比研究，3種常用切削刃的主要參數如表2所示。

表2 切削刃形狀及角度

2.2 鏟裝性能對比

為提高仿真準確性，采用實機在某企業(yè)試驗場進行鏟裝實驗。在鏟斗鉸點處安裝銷軸傳感器，并通過屏蔽線將其與智能數據采集分析系統(tǒng)連接，在裝載機后安裝位移傳感器，并通過鋼繩與之相連以測定鏟斗運動，實時測定鏟裝過程中的速度和加速度，為仿真參數及運動軌跡提供依據。

對比3個鏟斗水平插入階段和掘起階段的最大水平、豎直阻力、鏟裝力矩和鏟裝質量，計算其單位質量所產生的阻力及扭矩情況，綜合對比分析如表3所示。

表3 裝載性能綜合分析

3個鏟斗的前進方向鏟裝扭矩經擬合后如圖8所示，圖8a表示插入階段扭矩隨插入時間變化圖，圖8b表示掘起階段扭矩隨插入時間變化圖。

由圖8和表3可知,前進方向上的扭矩：直線型>M型>V型。從鏟裝性能綜合考慮，在碎石工況下，該型號鏟斗配備非直線型切削刃鏟裝性能更優(yōu)，且以M型切削刃效果最佳。

3 優(yōu)化設計

現有的切削刃不能在保證鏟裝質量的基礎上減小鏟裝阻力，需要以鏟裝質量最大、鏟裝阻力和扭矩最小為目標優(yōu)化鏟斗切削刃形狀。

3.1 切削刃形狀

改變M型切削刃角度得到如表4中代號C2、C3、C4、C5、C6的鏟斗，改變V型切削刃角度得到如表4中代號C7、C8、C9、C10、C11、C12的鏟斗。

3.2 裝載質量

12種不同切削刃鏟斗鏟裝質量對比如圖9所示。非直線型切削刃具有減小的阻力，但裝載質量有所下降。改變切削刃形狀后，得到如圖9所示各鏟斗鏟裝質量對比圖。由圖9可知，改變M型、V型切削刃形狀后，可相應提高其鏟裝質量。

表4 不同切削刃鏟斗

3.3 鏟裝能力與阻力綜合對比

對12種鏟斗鏟裝過程進行綜合分析，得到其最大水平、豎直阻力和最大合力如圖10所示。

為得到鏟裝質量最大、鏟裝阻力和扭矩最小的鏟斗，將鏟裝阻力、力矩與鏟裝質量建立聯(lián)系，計算其單位質量的阻力、力矩情況并進行綜合對比分析，將12種鏟斗鏟裝過程的綜合能力與第一種平直切削刃的綜合能力進行對比，如表5所示。

表5 鏟裝性能綜合對比

分析圖10和表5可得出：C4鏟斗鏟裝性能最佳，在碎石工況下，選用M型切削刃8°水平角度時，鏟裝質量最大且阻力最小;3號鏟斗M型切削刃6°鏟裝扭矩最小，最適用于偏載嚴重的工況下。

4 結束語

裝載機鏟斗斗型結構尺寸直接影響其作業(yè)效率，現有方法對鏟斗的各項參數研究不明。本文在獲取鏟裝性能的基礎上，以碎石物料為鏟裝對象進行建模分析，探究切削刃形狀對鏟斗鏟裝性能的影響。根據對現有切削刃形狀的評估和設計模型的對比研究分析可得出以下結論：

(1)切削刃形狀對鏟裝性能影響顯著，通過改變切削刃形狀定量分析鏟斗形狀變化對鏟裝性能的影響，提出了一種基于離散元素法的鏟斗設計新方法，可有效提升鏟斗鏟裝性能。

(2)在碎石工況下，對現有3種切削刃鏟斗進行對比分析表明：該型號鏟斗配備非直線型切削刃，鏟裝性能更優(yōu)，且以M型切削刃效果最佳，進而指導切削刃的選擇。

(3)通過研究切削刃形狀與鏟裝性能間的關系可知，在保證鏟裝質量的前提下，對切削刃形狀進行優(yōu)化，可相應減小其插入阻力，且在碎石工礦下，選擇M型8°水平角的切削刃最佳。

本文主要對鏟斗參數切削刃形狀進行研究，后續(xù)將進一步探究其對鏟斗鏟裝性能的影響關系，為鏟斗優(yōu)化設計提供方案，為生產實踐中切削刃的選擇提供指導，從而為鏟斗參數影響研究提供參考。