基于平面鏟板結構改進的土壤切削阻力試驗研究

賀雨田,呂彭民,桂發君

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

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基于平面鏟板結構改進的土壤切削阻力試驗研究

賀雨田1,2,呂彭民1,桂發君1

(1.長安大學 道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安 710064；2.西安特種設備檢驗檢測院，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，對平面鏟板進行結構改進，在其刃緣加裝6種不同長度的水平鏟刀；以平面鏟板和結構改進的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；通過對比分析發現，對鏟板進行結構改進后，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小；水平鏟刀長度在不同切削深度下存在一個最優值，但切削深度較小時該值并不明顯；最后，根據試驗結果，對不同切削深度下水平鏟刀的長度進行優選；采用優選值代替最優值，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致切削阻力減小的內在機理進行分析。

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過程，由于土壤的物理特性復雜，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性能進行評價和優化的基礎[1-3]。改善土壤切削過程的切削阻力，不僅可以在作業過程中使機械能耗得到有效改善，而且可以為設計提供參考依據，特別是在當前能源大量耗費的社會背景下，節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，一類是內因，由土壤內在的物理特性決定，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系決定，包括鏟刀結構、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]針對農業耕作部件仿生曲線結構的特點，引入了縱深比的概念，對不同縱深比下的力學特性進行了研究，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機，建立了滾刀和切刀的塑性力學模型；NASA[12]為了提高月球挖掘設備的使用可靠性，對測試切削阻力和八種土壤切削力學模型進行了比較，并建議在較小切削深度下開展作業。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雜，影響切削阻力的因素較多，且土壤內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雜，但土壤的物理特性相對穩定時，對于確定的切削工具切削阻力仍遵循一定的變化規律。平面鏟板由于其簡單的結構，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，當達到滿載狀態后，切削阻力趨于穩定，繼續對土壤進行切削，切削阻力將在一個穩定值上下波動。

在土壤切削過程中，可以根據平面鏟板對土壤的作用分解為兩部分作業運動的合成：其一是鏟板插入地面以下部分對土壤的切削作業，其二是鏟板在地面以上部分對切削土壤的推運作業[13]，其切削土壤的切削機理如圖1所示。參數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的最大高度，該值在達到穩定狀態時基本是不變的，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和地面以上部分對土壤的推運作業都趨于穩定狀態，實際情況下為一條曲線，在應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　土壤切削過程的穩定狀態Fig.1 Steady state of soil cutting process

與上述土壤切削機理相對應，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備，拉拽作業在礦山施工中經常被采用，是一種非常經濟的作業方式[15]。設備為矩形結構，長為4 000mm，寬為1 200mm，高為240mm，主要由剛性框架導軌、鏟板車架、牽引裝置和拉力傳感器組成，結構三維圖如圖2(a)所示。卷揚機構固定在矩形框架上，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軌運動，實現鏟板對土壤的切削。為了使試驗過程簡單有效，該裝置有三處主要的結構改進：①切削過程采用拉拽牽引方式，減小了偏載對切削過程數據采集的影響，提高了切削過程的相對穩定性，且該切削方式可以通過一個拉力傳感器實現數據采集，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軌，導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常因車輪脫軌而發生切削翹尾現象，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整，如圖2(c)所示。

(a)三維視圖；(b)車輪與導軌縱向剖面圖；(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，為了簡化數據分析，試驗過程將設備機械系統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，忽略垂直力以及導軌和車架之間滾動摩擦阻力的影響。試驗采用了2種結構，一種為平面鏟板，另一種為改進結構，即在傳統的平面鏟板上加裝了水平鏟刀，結構如圖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　鏟板結構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　試驗結果

根據上述試驗過程，對7種鏟板結構和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。因設備原因，試驗過程會出現卡阻、切削不穩定等現象，但這僅出現在少數切削過程中，且均在試驗過程的15s以后，因此，所采集數據能反應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，切削過程中，隨著鏟板的移動，鏟板前端土壤逐漸堆積，當切削阻力相對穩定時，土堆也基本成穩定形態，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會產生土壤滯留區，該區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的土壤，根據對試驗的觀察，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域，在切削過程中，不僅要切削土壤，而且需要推動不流動區域堆積的土壤，因此，會導致切削阻力增大；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“大—小—大”的變化趨勢，如圖9所示。從曲線的變化規律看，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值；根據試驗結果對不同切削深度下水平鏟刀的長度進行優選，切削深度為120mm和90mm時水平鏟刀的優選值分別為60mm和30mm；這兩種條件下的優選值與最優值應基本是一致的。

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值均接近15mm。從試驗結果看，水平鏟刀最優值隨切削深度的變化遵循切削深度減小水平鏟刀最優長度也減小的規律，但切削深度減小到30mm時，水平鏟刀最優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。當切削深度較小時，推運土壤產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，從而出現了切削深度較小時切削阻力在一個水平鏟刀長度范圍內相差不大的現象。因此，切削深度越小，水平鏟刀對土壤的剪切影響也越小，假設鏟板不切削土壤而單純做推土作業，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對切削阻力將不產生影響，故上述現象符合變化規律。

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

根據試驗結果，忽略切削深度為30mm條件下所對應優選值的點，將切削深度為120，90和60mm時水平鏟刀的優選值60，30和15mm近似為最優值，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，擬合結果如圖10所示。圖中縱軸粗直線與水平粗直線構成了試驗給定切削深度下L型鏟板的最佳結構。

根據鏟板結構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值使切削阻力最小，這一現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下的強剪過程；加裝水平鏟刀后，水平鏟刀對土壤會產生垂直剪切作業，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，又會出現摩擦阻力較大和分層土壤較多而導致推土阻力較大的現象，因此，在確定深度下水平鏟刀長度存在一個最優值，使切削過程的切削阻力最小。

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

5　結論

1)影響平面鏟板對土壤切削過程切削阻力的因素較多，通過結構改進是優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、改善切削過程的穩定性，且該方法在實際應用中比較容易實現，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值，在對不同水平鏟刀長度進一步細分的基礎上，該最優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系曲線，當切削深度較深時，水平鏟刀最優值較為明顯，但切削深度較小時，水平鏟刀長度在一個范圍內對土壤切削阻力的影響相近；

4)分析了水平鏟刀可導致切削阻力減小的原因，結合實際應用可以判斷，不同切削深度下加裝最優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用效率上同樣存在最優工作狀態。

5)試驗過程未考慮試驗裝置的機械摩擦，從試驗結果看，當切削深度不大時，試驗數據存在一定誤差，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。

[1]YongSun,LiXS.Influenceofcuttinginteractionsoncuttingforceofapick[J].AASRIProcedia, 2012(3):694-699.

[2]AbbasHemmat,TayebehRahnama,ZahraVahabi.Ahorizontalmultiple-tippenetrometerforon-the-gosoilmechanicalresistanceandacousticfailuremodedetection[J].Soil&TillageResearch, 2014(138):17-25.

[3] 崔占榮, 李建橋，李因武，等. 不同工作介質中模型鏟板推土阻力的變化規律[J]. 吉林大學學報(工學版)，2003，33(3): 9-13.

CUIZhanrong,LIJianqiao,LIYinwu.Variationofbulldozingresistanceofmodelbladeindifferentworkingmedia[J].TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery, 2003, 33(3):9-13.

[4]TsujiT,NakagawaY,MatsumotoN,etal. 3-DDEMsimulationofcohesivesoil-pushingbehaviorbybulldozerblade[J].JournalofTerramechanics, 2012(49): 37-47.

[5] 周明, 張國忠, 姚興林. 有限元法在土壤切削過程模擬中的應用[J].農機化研究, 2009(9): 190-193.

ZHOUMing,ZHANGGuozhong,YAOXinglin.Applicationsoffiniteelementanalysisinsoilcutting[J].JournalofAgriculturalMechanizationResearch, 2009(9): 190-193.

[6] 吳娜, 張伏, 佟金. 臭蜣螂唇基切土減阻的力學分析[J]. 農業機械學報，2009，40(10): 207-210.

WUNa,ZHANGFu,TONGJin.Mechanicalanalysisofclypeussurfaceofdungbeetle(coprisochusmotschulsky)insoil-cuttingresistancereduction[J].TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery, 2009, 40(10): 207-210.

[7] 王國慶,劉穩善,陳波,等.非飽和土本構關系及其在高速切削中的應用[J].長安大學學報(自然科學版), 2006, 26(2): 103-106.

WANGGuoqing,LIUWengshan,CHENBo,etal.Constitutiveequationofnon-soggysoilanditsappli-cationtodynamicanalysisofhigh-speedcutting[J].JournalofChang’anUniversity(NaturalScienceEdition), 2006, 26(2): 103-106.

[8]MiedemaSA.Newdevelopmentsofcuttingtheorieswithrespecttodredgingthecuttingofclay&rock[C] //WEDAXXIX&TexasA&M40.PhoenixArizona,USA,June2009: 14-17

[9] 郭志軍,周志立,佟金,等. 拋物線型切削面刀具切削性能二維有限元分析[J]. 洛陽工學院學報, 2002, 23(4):1-4.

GUOZhijun,ZHOUZhili,TONGJin,etal.A2-Dfiniteelementanalysisforcuttingperformanceofaparaboliccurvedcuttingsurface[J].JournalofLuoyangInstituteofTechnology, 2002, 23(4):l-4．

[10] 郭志軍,周德義,周志立. 幾種不同觸土曲面耕作部件的力學性能仿真研究[J]. 機械工程學報,2010,46(15):71-75.

GUOZhijun,ZHOUDeyi,ZHOUZhili.Simulationresearchonmechanicalperformancesofseveralkindsofcultivatingcomponentswithdifferentsoil-engagingSurfaces[J].ChineseJournalofMechanicalEngineering, 2010, 46(15): 71—75．

[11] 趙丹，彭立敏，雷明鋒,等. 基于滑移線場的土壓平衡盾構刀具切削扭矩研究[J]. 鐵道科學與工程學報，2013，10(3):37-42.

ZHAODan,PENGLimin,LEIMingfeng,etal.StudyoncutterscuttingtorqueofEPBshieldbasedonslip-linefield[J].JournalofRailwayScienceandEngineering, 2013, 10(3):37-42.

[12]KingRH.,VanSusanteP.,GefrehMA..Analyticalmodelsandlaboratorymeasurementsofthesoil-toolinteractionforcetopushanarrowtoolthroughJSC-1AlunarsimulantandOttawasandatdifferentcuttingdepths[J].JournalofTerramechanics, 2011(48):85-95.

[13]YANGQinsen,SUNShuren.Asoil-toolinteractionmodelforbulldozerBlades[J].JournalofTerramechanics, 1994, 31(2): 55-65.

[14]StephaneBlouin,AhmadHemami,MikeLipsett.Reviewofresistiveforcemodelsforearthmovingprocesses[J].JournalofAerospaceEngineering, 2001, 14(3): 102-111.

[15]CoetzeeCJ,ElsDNJ,DymondGF.Discreteelementparametercalibrationandthemodelingofdraglinebucketfilling[J].JournalofTerramechanics, 2010(47):33-44.

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，從事機械動態仿真與優化設計及結構抗疲強度與可靠性研究；E-mial：lpmin@chd.edu.cn

TU411

A

1672-7029(2016)07-1261-07