平地機鏟刀弧形結(jié)構(gòu)研究

崔步安，侯志強，倪翔宇，朱浩月，廖 昊，李 亮

(1.江蘇徐工工程機械研究院有限公司，江蘇 徐州 221004；2.徐工集團 高端工程機械智能制造國家重點實驗室，江蘇 徐州 221004)

0 引 言

平地機是一種以鏟刀為主體，配以其他多種可換的作業(yè)裝置(前推后松)，進行土壤鏟掘、平整和修刮的鏟土運輸施工機械，主要用于道路、機場、農(nóng)田、水利等大面積土壤平整作業(yè)。

目前，平地機采用的多種先進技術(shù)使其整機鏟掘性能不斷提升，但鏟刀弧形優(yōu)化一直制約產(chǎn)品的性能，鏟刀體弧線結(jié)構(gòu)類型對鏟掘效率及鏟掘性能的影響非常顯著[1]。本文將徐工GR180平地機與國外某品牌平地機進行對比，研究鏟刀體弧線結(jié)構(gòu)類型的設(shè)計及加工問題。

1 鏟刀結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

平地機及其鏟刀的結(jié)構(gòu)如圖1、2所示，經(jīng)過分析，本文提出如下平地機鏟刀的各結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計原則。

圖1 平地機結(jié)構(gòu)

圖2 平地機鏟刀結(jié)構(gòu)參數(shù)

(1)入土角度γ。入土角度γ是刀片與地面之間的夾角，減小γ能降低切土阻力[2-3]。試驗表明，當(dāng)γ小到一定程度時，隨著鏟刀前方土壤厚度的增加，鏟刀附近的土壤會給鏟刀施加一個向下的壓力，這個壓力有提高平地機與地面附著力的作用，可改善機器牽引性能。但是，過小的入土角度γ會導(dǎo)致鏟刀的刃尖角度φ太小，降低鏟刀的強度，故推薦鏟刀的入土角度γ為33°～37°。

(2)翻土角度α。在鏟土過程中，鏟掘下來的土壤沿著鏟刀面向上滑移，當(dāng)滿鏟后，這些土壤會在鏟刀上沿處以α角度做斜拋運動。所以翻土角度a的設(shè)計準則是將土壤拋至盡可能遠的位置，這樣既可以減小作業(yè)阻力，也可以增加推土量。圖3是模擬得出的拋射距離與翻土角的關(guān)系，可以看出，α角的取值范圍在37° ～41° 之間比較合理。

圖3 拋射距離與翻土角的關(guān)系

(3)鏟掘角度β。研究表明，過小的鏟掘角度β會導(dǎo)致作業(yè)阻力增大[4]，過大的鏟掘角度β會減小鏟刀前面的堆土高度。當(dāng)β在6° ～10°之間時，能保證介質(zhì)對鏟刀體產(chǎn)生垂直向下的載荷，同時前進方向上的牽引力也會隨之增加，從而產(chǎn)生很好的綜合效果。

(4)鏟刀后角度δ。較大的鏟刀后角度δ可以減小鏟刀下部與地面的摩擦力，但鏟刀后角度過大會降低刀刃的強度，平地機的鏟刀后角度δ取6° ～8° 比較合理。

(5)鏟刀橫斷面的形式。鏟刀的橫斷面有圓弧形、拋物線形和漸開線形，由于目前鏟刀面都是鋼板巻制成型，圓弧形的巻制工藝性最好，但不能同時滿足以上各種角度的所有要求；漸開線的曲率半徑是朝一個方向逐步變化的，鏟刀面的受力比較平穩(wěn)。通常認為平地機采用漸開線形的鏟刀斷面比較合理[5-6]。

2 仿漸開線鏟刀體的結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于巻制漸開線曲面的工藝難度比較大，本文以對徐工GR180平地機的鏟刀設(shè)計為例，提出一種用2段圓弧近似制作漸開線鏟刀曲面的方法。徐工GR180平地機的鏟刀主要參數(shù)為：鏟刀弦長L=0.61 m，入土角度γ=35°，拋射角度α=40°，鏟掘角度β=8°。

如圖4所示，所設(shè)計的鏟刀弧面AP0D是由圓弧AP0和圓弧P0D構(gòu)成，圓弧AP0的半徑為R1，圓弧P0D的半徑為R2，兩段圓弧在P0點相切，兩段圓弧的圓心(M0、N0)都在水平線J0K0上，M0到A點的水平距離為x，M0到A點的垂直距離為y，M0、N0之間的距離為z。故R1、R2之間存在如下關(guān)系。

圖4 近似漸開線鏟刀面形成原理

在確定了x、y、z、R1、R2以后，就可以確定鏟刀的弧面AP0D。

3 仿漸開線鏟刀體的試驗驗證

通過上述數(shù)學(xué)模型的建立與應(yīng)用，試制一款仿漸開線鏟刀體，對鏟刀弧線與整機附著力的關(guān)系開展研究。當(dāng)鏟掘過程中介質(zhì)對鏟刀產(chǎn)生的垂直方向作用力與水平方向阻力達到平衡狀態(tài)時，測試獲得整機的最大牽引力數(shù)值[7-9]。

(1)仿漸開線鏟刀體與國外產(chǎn)品的鏟刀體在相似的姿態(tài)下，其整機的牽引力(附著系數(shù))性能比國外產(chǎn)品高7.7%。

(2)試驗測試時保持前輪正壓力相同，鏟掘前后輪正壓力產(chǎn)生相同變化鏟刀處所需起吊力小，說明在鏟掘過程中受到介質(zhì)的浮起力小，對應(yīng)分配到整機后橋的浮起力小(鏟刀受力后橋分配)，整機附著力就大。

(3)對試制仿漸開線鏟刀體與國外樣機達到滿鏟狀態(tài)所耗用的時間進行對比，結(jié)果見表1。仿漸開線鏟刀體能夠快速實現(xiàn)滿鏟，說明其鏟掘效率或產(chǎn)量得到了大大的提升。

表1 鏟刀到達滿鏟狀態(tài)所用時間 s

4 結(jié) 語

本文通過建立數(shù)學(xué)模型及分析計算，解決了一種仿漸開線鏟刀體連續(xù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計及加工工藝問題，將作業(yè)過程中附著力增加難題轉(zhuǎn)化為鏟刀弧面設(shè)計方法問題，引入一種仿漸開線鏟刀體連續(xù)輥壓成型的設(shè)計方法及數(shù)學(xué)計算模型。

(1)仿真及試驗結(jié)果顯示，當(dāng)翻土角度保持在6°～10°的狀態(tài)下，入土角度及拋土角度分別保持33°～37°及37°～41°時，鏟刀按照正常的作業(yè)姿態(tài)工作，其鏟掘效率最高；數(shù)學(xué)模型同時驗證該角度及姿態(tài)下鏟刀體受到的壓力和阻力達到平衡狀態(tài)。

(2)對有約束條件下的方程解及工程應(yīng)用中連續(xù)輥壓加工工藝等問題通過建立數(shù)值模型加以解決，將漸開線弧形加工用仿漸開線連續(xù)輥壓的方法近似替代，取兩者之長獲得工程應(yīng)用中一種新型加工弧線的方案。

(3)該結(jié)構(gòu)的鏟刀體作業(yè)時刀片與介質(zhì)之間還能形成一個與地面成6°的間隙角度，使得刀片既能順利地切入介質(zhì)，又能不被磨損得太嚴重，從而延長刀片的使用壽命，實現(xiàn)最佳的翻土效果。