液壓振動(dòng)挖掘試驗(yàn)與分析

(福建農(nóng)林大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 福建 福州 350002)

引言

目前世界上各類施工工程中，利用液壓挖掘機(jī)完成的土方挖掘作業(yè)量大約占總挖掘量的65%～70%[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2017年底,我國(guó)工程機(jī)械主要產(chǎn)品保有量約為690～7747萬(wàn)臺(tái)[3]。因此，液壓挖掘機(jī)的發(fā)展對(duì)推動(dòng)社會(huì)建設(shè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有著重要意義。振動(dòng)掘削在農(nóng)業(yè)機(jī)械得到廣泛運(yùn)用，如馬鈴薯振動(dòng)挖掘機(jī)[4-5]、根莖類中藥材振動(dòng)挖掘機(jī)[6-7]、振動(dòng)式花生收獲機(jī)[8-9]等。并且國(guó)外關(guān)于振動(dòng)挖掘減阻很早就進(jìn)行了研究，其中YOW等[10]對(duì)一維正弦振動(dòng)耕作進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論分析得到同一運(yùn)動(dòng)速度下，振動(dòng)可以使最大切削阻力減低40%。GUPTAR等[11]利用振蕩耕作工具產(chǎn)生不同的振幅和頻率對(duì)土壤進(jìn)行破碎效果的試驗(yàn)分析。RADITE等[12]利用振動(dòng)技術(shù)降低潛耕機(jī)牽伸要求的試驗(yàn)研究。ZENKOW等[13]在零下溫度下，建立振動(dòng)挖掘?qū)Φ孛孢\(yùn)動(dòng)關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，分析高頻振動(dòng)對(duì)地面滑動(dòng)阻力的影響。國(guó)內(nèi)對(duì)于振動(dòng)挖掘機(jī)的研究仍處于理論研究階段，振動(dòng)減阻理論研究還不夠完善，振動(dòng)挖掘技術(shù)的運(yùn)用研究還不夠成熟。針對(duì)振動(dòng)挖掘特性，對(duì)振動(dòng)挖掘試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行土壤的試驗(yàn)研究，分析振動(dòng)參數(shù)與挖掘阻力之間的變化關(guān)系，并獲得土壤的最佳振動(dòng)挖掘參數(shù)。研究結(jié)果將有助于推動(dòng)振動(dòng)挖掘技術(shù)在液壓挖掘機(jī)上的運(yùn)用和發(fā)展，使得液壓挖掘機(jī)更加適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需求。

1 振動(dòng)挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)及原理

1.1 振動(dòng)減阻機(jī)理

液壓振動(dòng)挖掘裝置具有雙作用切削土壤特點(diǎn)：當(dāng)土壤被切削時(shí)，不僅受到裝置前進(jìn)方向上的切削力，還受到垂直于前進(jìn)方向上的作用力；切削完的土壤隨著裝置一起振動(dòng)，土壤振動(dòng)時(shí)會(huì)吸收部分振動(dòng)能量使自身內(nèi)應(yīng)力變大，內(nèi)應(yīng)力越大，土壤越容易破碎[14]。振動(dòng)式挖掘作業(yè)過(guò)程相對(duì)于振動(dòng)式挖掘是對(duì)土壤快速剪切的挖掘，在對(duì)土壤進(jìn)行有無(wú)振動(dòng)剪切試驗(yàn)中，大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明[15]：在保持土壤的豎向應(yīng)力不變且都有一定壓縮的條件下，快速剪切所得到的土壤內(nèi)摩擦角φ的值較小，抗剪強(qiáng)度較小。并且慢速剪切所測(cè)得的土壤內(nèi)摩擦角和抗剪強(qiáng)度都相對(duì)較大，從而振動(dòng)能夠使得土壤的抗剪切強(qiáng)度、土壤間摩擦力、粘附力下降，從而使得挖掘阻力下降。

1.2 振動(dòng)挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)

液壓振動(dòng)挖掘裝置的結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示；振動(dòng)方式原理，如圖2所示。裝置利用串聯(lián)振動(dòng)液壓缸的振動(dòng)方式，可以通過(guò)控制振動(dòng)液壓缸的往復(fù)收縮，作用與鏟斗使得鏟斗產(chǎn)生振動(dòng)，再利用原有的鏟斗油缸的伸縮，推動(dòng)振動(dòng)油缸整體向前作用在鏟斗上，此時(shí)鏟斗油缸的作用與振動(dòng)油缸的作用就會(huì)進(jìn)行疊加，從而實(shí)現(xiàn)完整振動(dòng)挖掘作業(yè)。如果振動(dòng)油缸保持不動(dòng)，可將振動(dòng)油缸等效為連桿，此時(shí)鏟斗油缸推動(dòng)振動(dòng)油缸對(duì)鏟斗進(jìn)行作用，只產(chǎn)生鏟斗的靜態(tài)挖掘動(dòng)作力，此時(shí)即為常規(guī)的挖掘作業(yè)。

1.斗桿臂 2.鏟斗油缸 3.振動(dòng)油缸 4.鏟斗圖1 液壓振動(dòng)挖掘裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 振動(dòng)實(shí)現(xiàn)方式原理圖

2 振動(dòng)挖掘試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及系統(tǒng)組成

以1臺(tái)1.5 t型的液壓振動(dòng)挖掘臂為實(shí)驗(yàn)設(shè)備，一套振動(dòng)挖掘控制系統(tǒng)，按照振動(dòng)挖掘機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)工作原理，以及振動(dòng)挖掘試驗(yàn)條件要求，可以將整個(gè)智能控制系統(tǒng)分成三大組成模塊，分別為檢測(cè)模塊、控制處理模塊和動(dòng)作輸出模塊。整體模塊圖如圖3所示。

圖3 總體控制方案模塊圖

2.2 試驗(yàn)方案

以福州地區(qū)普遍存在的黃性土壤振動(dòng)試驗(yàn)挖掘?qū)ο?，因試?yàn)主要考慮振動(dòng)參數(shù)對(duì)液壓振動(dòng)挖掘的影響，土壤特性的差異性未納入考慮范圍。試驗(yàn)分別就振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅度、挖掘速度3個(gè)振動(dòng)挖掘參數(shù)進(jìn)行單因素挖掘試驗(yàn)，并在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，再對(duì)黃土以振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅度、挖掘速度為3個(gè)影響因子進(jìn)行二次回歸正交試驗(yàn)，采用Box-Behnken Design中心實(shí)驗(yàn)組合設(shè)計(jì)方案，如表1所示。最后以挖掘阻力為響應(yīng)值進(jìn)行響應(yīng)面法分析，建立二次多項(xiàng)式數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行方差分析3個(gè)影響因子之間的交互作用，并得出相應(yīng)土壤的最佳振動(dòng)挖掘參數(shù)。

表1 Box-Behnken Design中心實(shí)驗(yàn)組合設(shè)計(jì)方案

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

1) 頻率變化的單因素振動(dòng)挖掘試驗(yàn)

振幅為3 mm，挖掘速度為6 L/min，頻率為變化因素的單因素試驗(yàn)的結(jié)果數(shù)據(jù)如表2所示。

圖4 液壓振動(dòng)挖掘試驗(yàn)圖

表2 振動(dòng)頻率試驗(yàn)結(jié)果

2) 振幅變化的單因素振動(dòng)挖掘試驗(yàn)

振動(dòng)頻率為12 Hz，挖掘速度為6 L/min，振幅為變化因素的單因素試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 振動(dòng)幅度試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

3) 挖掘速度變化的單因素振動(dòng)挖掘試驗(yàn)

振動(dòng)頻率為12 Hz，振幅為3 mm，挖掘速度為變化因素的單因素試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 挖掘速度試驗(yàn)結(jié)果

3.2 二次回歸正交試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)Box-Behnken Design中心實(shí)驗(yàn)組合設(shè)計(jì)方案進(jìn)行振動(dòng)挖掘試驗(yàn)，得到結(jié)果如表5所示。

按照表5順序進(jìn)行挖掘試驗(yàn)得到挖掘阻力結(jié)果之后，應(yīng)用Design Expert 8.0.6軟件進(jìn)行多元回歸擬合分析，可以得到挖掘阻力Y關(guān)于振動(dòng)頻率X1、振動(dòng)幅度X2、挖掘速度X3的真實(shí)值二次多項(xiàng)式響應(yīng)面回歸模型方程,為：

Y=4.23-0.16X1-0.39X2+0.28X3+0.16X1X2-

表5 黃土Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果

3.3 方差及響應(yīng)面分析

根據(jù)二次多項(xiàng)式響應(yīng)面回歸模型，進(jìn)行方差分析結(jié)果如表6所示。

由表6可以得出，通過(guò)擬合分析得到的真實(shí)值二次多項(xiàng)式響應(yīng)面回歸模型方程的P值遠(yuǎn)小于顯著要求的數(shù)值，體現(xiàn)出非常顯著的特性，且該模型方程的失擬項(xiàng)P值大于顯著的要求數(shù)值，為非顯著特性。因而該回歸方程模型與試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)擬合較好，能夠反應(yīng)出真實(shí)中的3個(gè)因素與挖掘阻力之間的變化關(guān)系，可以利用該模型來(lái)分析和推導(dǎo)黃土的最佳振動(dòng)挖掘參數(shù)。

由響應(yīng)面分析軟件進(jìn)一步得到3個(gè)因素與挖掘阻力的響應(yīng)曲面關(guān)系圖和等高線關(guān)系圖。如圖5～圖7所示，根據(jù)圖中的三維曲面和等高線得出振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅度兩個(gè)因素的交叉作用對(duì)挖掘阻力的影響大于其他組合因素的交叉作用影響，且3個(gè)因素對(duì)挖掘阻力的影響程度順序?yàn)椋旱谝徽駝?dòng)幅度，其次挖掘速度最后為振動(dòng)頻率。結(jié)合前面的真實(shí)值二次多項(xiàng)式響應(yīng)面回歸模型，響應(yīng)面分析特性以及軟件計(jì)算分析，得出黃土的最佳振動(dòng)挖掘參數(shù)是： 振動(dòng)頻率11.99 Hz， 振動(dòng)幅度4.69 mm，挖掘速度4 L/min。此時(shí)挖掘阻力達(dá)到最小為4.018 MPa，根據(jù)所得到的最佳振動(dòng)參數(shù)后再進(jìn)行多次振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證，得到的實(shí)際挖掘阻力值與模型得到的最小挖掘阻力值得偏差均在5%以內(nèi)，在允許誤差范圍之內(nèi)，得到的最佳振動(dòng)參數(shù)具有一定可靠性。

表6 黃土振動(dòng)挖掘的響應(yīng)面二次方差分析表

注：**表示極顯著(P<0.01)； *表示顯著(P<0.05)。

圖5 振動(dòng)幅度、振動(dòng)頻率與挖掘阻力關(guān)系圖

圖6 挖掘速度、振動(dòng)頻率與挖掘阻力關(guān)系圖

圖7 挖掘速度、振動(dòng)幅度與挖掘阻力關(guān)系圖

4 結(jié)論

(1) 振動(dòng)作用下進(jìn)行對(duì)土壤的挖掘，能夠有效的降低挖掘阻力，且振動(dòng)頻率在土壤的固體頻率時(shí)的挖掘阻力最小，振幅的增大可以降低挖掘阻力，而挖掘速度的增大則會(huì)增加挖掘阻力；

(2) 對(duì)于黃土，3個(gè)振動(dòng)因素對(duì)挖掘阻力的影響程度大小順序?yàn)椋赫駝?dòng)幅度，其次為挖掘速度，最后為振動(dòng)頻率。同時(shí)得到黃土的最佳挖掘參數(shù)為：振動(dòng)頻率11.99 Hz，振動(dòng)幅度4.69 mm，挖掘速度4 L/min。試驗(yàn)驗(yàn)證了振動(dòng)參數(shù)對(duì)于液壓振動(dòng)挖掘的影響作用，對(duì)于其他土壤，比如砂土、紅土等土壤也有推廣作用。