賀雨田，呂彭民

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相近刃緣條件下不同鏟板結(jié)構(gòu)的切削阻力研究

賀雨田1, 2，呂彭民1

(1. 長安大學道路施工技術(shù)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)

針對減小平面鏟板切削傾角和加裝水平鏟刀2種方式，對平面鏟板結(jié)構(gòu)進行改進，并將2種方式得到的鏟板分別視為簡單鏟板和復雜鏟板。引入不同鏟板結(jié)構(gòu)刃緣相近的概念，使設計的3組簡單鏟板和復雜鏟板具有相近刃緣前移距離，且平均前移距離分別為56.8，114.6和187.8 mm。以級配土為切削對象，采用自行設計的切削裝置對3組鏟板分別在30，60和90 mm這3種不同切削深度下進行土壤切削阻力對比試驗。研究結(jié)果表明：有4組試驗的簡單鏟板結(jié)構(gòu)切削阻力小于復雜鏟板結(jié)構(gòu)的切削阻力，另有4組試驗的2種鏟板結(jié)構(gòu)切削阻力基本接近，僅有1組試驗的簡單鏟板結(jié)構(gòu)切削阻力相對偏大。因此，在鏟板切削刃緣相近的條件下，對于只考慮切削阻力的土壤切削過程，采用簡單鏟板結(jié)構(gòu)代替復雜鏟板結(jié)構(gòu)是工程實際中有效可行的辦法。

平面鏟板；死區(qū)；刃緣；土壤切削；切削阻力；水平鏟刀

在平面鏟板對土壤的切削過程中，鏟板前端的土壤在推擠作用下會形成一個不流動區(qū)域，該區(qū)域只在切削傾角較大時存在，稱為邊界楔形，或者叫“死區(qū)”。HETTIARATCHI等[1]對邊界楔形的形成和其對鏟板應力分布情況的影響進行了研究；MIEDEMA[2]指出邊界楔形并非靜態(tài)的，其側(cè)面的土壤仍會以低速向外流動； WILLMAN等[3]指出鏟板結(jié)構(gòu)對切削阻力起決定性作用；郭志軍等[4]對推土板觸土曲面進行了設計改進，探索土壤切削減阻的最佳結(jié)構(gòu)；COETZEE等[5?6]采用3種不同方法對谷物顆粒在鏟板中的流動規(guī)律進行了研究，鏟板內(nèi)的谷粒存在1個V形特征的流動區(qū)域；REN等[7]將仿生粗糙鏟板的切削特性與光滑鏟板進行對比，探索土壤切削減阻的方法；陳波[8]討論了土壤的切削機理，并對土壤動態(tài)切削條件下的土壤比阻與刀具切削速度之間的關(guān)系進行了研究；張銳等[9]對推土板作用下干土壤動態(tài)行為進行了離散單元模型和試驗對比分析；ONO[10]采用離散單元模型，選擇6種不同單元形狀，對窄平面鏟板切削阻力的影響進行了研究；此外，一些復雜幾何結(jié)構(gòu)鏟板的土壤切削研究采用有限元方法[11?12]。平面鏟板的切削傾角對切削阻力有顯著影響[13]，切削傾角減小，本質(zhì)上是平面鏟板刃緣的切削位置前移，為此，本文作者就鏟板刃緣對土壤的切削位置相同或相近時切削阻力的變化進行研究。

1 切削理論

針對土壤切削的理論模型較多，各模型均有一定的適用范圍。由于土壤作業(yè)環(huán)境的不確定因素較多，很難建立1個普遍適用的模型[11]。各土壤模型的建立大多是在對試驗觀察和總結(jié)的基礎上得到的，為了簡化試驗過程和理論分析，通常采用易于比較的鏟板結(jié)構(gòu)。平面鏟板作為最簡單的結(jié)構(gòu)，在土壤切削的二維和三維模型建立和試驗研究中較常見[12?14]。

圖1所示為平面鏟板的三維土壤切削模型。圖1中：為鏟板寬度；為鏟板沿切削方向投影的高度；為刃緣前移距離；為切削傾角；為切削深度；為切削位移；為切削速度。土壤切削過程會經(jīng)歷2個階段：切削阻力持續(xù)增加階段和切削阻力相對穩(wěn)定階段。在前一階段土壤不斷堆積，在后一階段土壤堆積達到穩(wěn)定[19]。圖1還給出了土壤堆積穩(wěn)定的輪廓線，從輪廓線的邊緣看，上輪廓線和前輪廓線均近似呈拋物線。在切削過程中，由于鏟板對土壤擠壓作用，被切削土壤始終存在1個失效面。為了更直觀地表達切削過程，圖1還給出了沿側(cè)翼的斷面圖，其中，斜線陰影部分為土堆斷面，點狀陰影部分為失效區(qū)域斷面。兩個斷面在鏟板對土壤的切削中不斷前移，且土壤堆積過程是失效土壤向上流動形成的。

從圖1可以看出：以垂直平面為參考對象，鏟板刃緣位置與切削傾角一一對應，兩者關(guān)系式為

cot(1)

由式(1)可知：假設平面鏟板刃緣前移距離確定，則平面鏟板的切削傾角也是確定的。在確定的切削深度下，鏟板刃緣前移距離越大，切削傾角越??；當切削傾角增加時，刃緣前移距離會減小，此時，通過加裝水平鏟板可以獲得相近的刃緣條件。對如圖1所示平面鏟板，將鏟板改變成高為、水平方向長度為的直角鏟板，則直角鏟板與平面鏟板的刃緣前移距離相同，但鏟板結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變。

圖1 土壤切削模型

2 試驗過程

2.1 鏟板結(jié)構(gòu)

對鏟板設計了6種結(jié)構(gòu)形式，如圖2所示。這6種鏟板結(jié)構(gòu)在切削方向上的投影相同，高為500 mm，寬為300 mm。除鏟板b以外，其余5種鏟板均在距刃緣切削平面高200 mm處進行折彎；且鏟板b與切削平面的夾角為90°，鏟板a和d與切削平面的夾角均為75°，鏟板c和f與切削平面的夾角均為60°，鏟板e與切削平面的夾角為45°；平面鏟板折彎75°后得到鏟板a，垂直鏟板加裝水平鏟刀后得到鏟板b，鏟板a加裝水平鏟刀得到鏟板d，鏟板c加裝水平鏟刀得到鏟板f。6個鏟板的切削刃緣與垂直鏟板相比均向前延伸，為了使鏟板a與b、鏟板c和d以及鏟板e和f的刃緣有相近的前移距離，需對所加裝水平鏟板進行設計。

令刃緣與垂直鏟板相比向前延伸距離分別為a，b，c，d，e和f。鏟板a，c和e經(jīng)垂直鏟板折彎后，其刃緣前移距離由式(1)可得：a≈53.6 mm，c≈115.5 mm，e=200 mm。根據(jù)鏟板結(jié)構(gòu)特點，為方便開展試驗，將鏟板b，d和e加裝的水平鏟板的長度均設計為60 mm，則鏟板b，d和e的刃緣前移值分別為：b=60.0 mm，d≈113.6 mm，f≈175.5 mm。此時，鏟板a和b切削刃緣前移距離的絕對差值約為6.4 mm，鏟板c和b切削刃緣前移距離的絕對差值小于2.0 mm，鏟板e和f切削刃緣前移距離的絕對差值稍大，約為24.5 mm，3組鏟板切削刃緣前移距離平均值分別為56.8，114.6和187.8 mm。以鏟板切削刃緣前移距離平均值為參考對象，鏟板a和b、鏟板c和d以及鏟板e和f這3組鏟板的前移距離實際值與參考值的誤差分別為5.6%，0.08%和6.5%，從工程應用角度看滿足試驗對比的要求，因此，采用上述3組切削刃緣前移距離相近的鏟板進行對比試驗研究，并將鏟板a，c和e視為簡單結(jié)構(gòu)，鏟板b，d和f視為復雜結(jié)構(gòu)。

(a) 鏟板a；(b) 鏟板b；(c) 鏟板c；(d) 鏟板d；(e) 鏟板e；(f) 鏟板f

圖2 鏟板結(jié)構(gòu)

Fig. 2 Blades structures

2.2 土壤物理特性

切削土壤是由50%河砂、20%旱砂和30%黃土構(gòu)成的級配土，含水量為5.5%左右，密度為1.5~1.7 g/cm3。

2.3 試驗過程

對比試驗在自行研制的引拽式土壤切削裝置上進行。切削速度設置為0.12 m/s，選擇3種不同切削深度，分別為30，60和90 mm。

3 試驗結(jié)果

圖3所示為試驗的土壤切削過程，鏟板前土壤堆積比較穩(wěn)定且具有一定規(guī)律(見圖3(a))。切削完成后，將鏟板退出，有水平鏟刀的鏟板存在土壤滯留現(xiàn)象。這是由于鏟板在大切削角下對土壤切削時會存在1個“死區(qū)”[1]。試驗用鏟板由于水平鏟刀存在，人為制造了1個不流動區(qū)域，該區(qū)域的土壤滯留仍為楔形塊的形式(見圖3(b))。

6種鏟板(鏟板a和b，c和d，e和f)分別在3種不同切削深度下，共進行18組土壤切削試驗。3組鏟板在不同切削深度下的切削阻力變化曲線分別如圖4~6所示。

(a) 鏟板前端土壤堆積情況；(b) 退刀后的土壤滯留情況

圖3 土壤切削過程

Fig. 3 Soil cutting processes

4 對比分析

從圖4~6可看出：切削阻力經(jīng)歷了從逐步增加到基本穩(wěn)定這2個階段；切削阻力在切削位移達700 mm后基本穩(wěn)定。因此，在對比分析中，切削阻力為切削位移大于700 mm時的平均值。

3組鏟板在不同切削深度下的平均切削阻力對比見圖7。從圖7(a)可見：當切削深度為30 mm時，鏟板a和b的切削阻力分別為0.404 kN和0.365 kN，鏟板b的切削阻力是鏟板a的90.4%；當切削深度為 60 mm時，鏟板a和b的切削阻力分別為0.828 kN和0.757 kN，鏟板b的切削阻力是鏟板a的91.4%；當切削深度為90 mm時，鏟板a和b的切削阻力分別為1.766 kN和1.182 kN，鏟板b的切削阻力是鏟板a的67.0%。從鏟板a和鏟板b的切削阻力對比可以看出：鏟板b的切削阻力均比鏟板a的小，但切削阻力在切削深度為30 mm和60 mm時較接近；當切削深度達到90 mm時，鏟板b的切削阻力明顯比鏟板a 的小。

切削深度/mm：(a) 30；(b) 60；(c) 90 1—鏟板a；2—鏟板b。

圖4 鏟板a和b的切削阻力變化曲線

Fig. 4 Curves of cutting resistance for blades a and b

切削深度/mm：(a) 30；(b) 60；(c) 90 1—鏟板c；2—鏟板d。

圖5 鏟板c和d的切削阻力變化曲線

Fig. 5 Curves of cutting resistance for blades c and d

切削深度/mm：(a) 30；(b) 60；(c) 90 1—鏟板e；2—鏟板f。

圖6 鏟板e和f的切削阻力變化曲線

Fig. 6 Curves of cutting resistance for blades e and f

從圖7(b)可見：當切削深度為30 mm時，鏟板c和d的切削阻力分別為0.152 kN和0.344 kN，鏟板c的切削阻力約為鏟板d的44.0%，二者的切削阻力存在較大差異；當切削深度為60 mm時，鏟板c和d的切削阻力分別為0.453 kN和0.437 kN，基本接近；當切削深度為90 mm時，鏟板c和d的切削阻力分別為0.943 kN和0.942 kN，基本相當。對比鏟板c和鏟板d的切削阻力，二者的大小無一致性，但在切削深度為60 mm和90 mm時，切削阻力可以認為是完全一致的。

從圖7(c)可見：當切削深度為30 mm時，鏟板e和f的切削阻力分別為0.149 kN和0.255 kN，鏟板e的切削阻力約為鏟板f的58.7%；當切削深度為60 mm時，鏟板e和f的切削阻力分別為0.330 kN和0.540 kN，鏟板e的切削阻力約為鏟板f的61.0%；當切削深度為90 mm時，鏟板e和f的切削阻力分別為0.478 kN和0.928 kN，鏟板e的切削阻力約為鏟板f的51.6%。在這3種情況下，鏟板e的切削阻力均比鏟板f的小。這是因為鏟板f在切削過程中，由于水平鏟刀的存在會人為導致在鏟板前端形成不動的土壤“死區(qū)”，對“死區(qū)”所堆積土壤的推送顯著增加切削阻力。

(a) 鏟板a和b；(b) 鏟板c和d；(c) 鏟板e和f

圖7 3組鏟板在不同切削深度下的平均切削阻力對比

Fig. 7 Comparison of average cutting resistance for three groups of blade under different cutting depths

5 結(jié)論

設計了3組幾何外形結(jié)構(gòu)存在一定差異的鏟板，其共同特征是鏟板刃緣的前移距離基本相近；對3組鏟板中所包含的6種不同結(jié)構(gòu)進行土壤切削試驗。試驗結(jié)果表明：

1) 對鏟板a和鏟板b，在切削深度為30 mm和60 mm時，切削阻力差異不大，但在切削深度為90 mm時，鏟板a的切削阻力比鏟板b的大；對鏟板c和鏟板d，在切削深度為30 mm時，鏟板c的切削阻力比鏟板d的小，在其余2種切削深度下，切削阻力平均值基本相近；對鏟板e和鏟板f，在3種切削深度下，鏟板e的切削阻力均顯著比鏟板f的小。

2) 綜合比較3組鏟板的結(jié)構(gòu)，在刃緣前移值相近的條件下，將鏟板a，c和e的結(jié)構(gòu)分別與鏟板b，d和f的結(jié)構(gòu)進行比較，鏟板a，c和e的結(jié)構(gòu)相對簡單。在所有9組對比試驗中，只有1組試驗簡單結(jié)構(gòu)的切削阻力明顯比復雜結(jié)構(gòu)的大，4組試驗的切削阻力基本接近，其余4組簡單結(jié)構(gòu)的切削阻力明顯比復雜結(jié)構(gòu)的小。因此，在進行土壤切削機械的鏟板結(jié)構(gòu)設計時，當鏟板結(jié)構(gòu)在刃緣尺寸確定的條件下，選擇結(jié)構(gòu)相對簡單的鏟板，在一定條件下可顯著減小切削阻力；當刃緣相近且切削阻力基本相近時，也可以使用簡單鏟板結(jié)構(gòu)，不僅減少加工制造的成本，而且可滿足工程實際需要。

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(編輯 陳燦華)

Study on cutting resistance of different blade structures in condition of similar blade-edge

HE Yutian1, 2, LU Pengmin1

(1. Key Laboratory of Road Construction & Equipment of MOE, Chang’an University, Xi’an 710064, China;2. Xi’an Special Equipment Inspection Institution, Xi’an 710065, China)

The structures of flat blades were improved considering two ways of reducing the rake angle of the flat blade and adding horizontal plate, and the blades improved by the two ways were regarded as simple blade and complex blade, respectively. The concept of edge similarity among different blade structures was introduced, and three groups of simple blades and complex blades with average values of 56.8, 114.6 and 187.8 mm were designed. Based on self-designed testing apparatus, contrast tests under three different cutting depths of 30, 60 and 90 mm on grading soil were carried out to compare the cutting resistance. The results show that four groups of test’s cutting resistances of the simple blades are less than those of the complex blades, and other four groups of tests present a similar cutting resistance, and only one group of test’s cutting resistance of simple blade is higher than that of the complex blade. Therefore, it is an effective and feasible method that complex blades structure is replaced by simple ones in condition of different blades’ structures with similar blade-edge with only considering cutting resistance.

flat blade; dead zone; blade-edge; soil cutting; cutting resistance; horizontal plate

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.12.014

TU411

A

1672?7207(2016)12?4056?06

2016?01?10；

2016?03?22

國家科技支撐計劃項目(2015BAF07B02)(Project(2015BAF07B02) supported by the National Key Technology R&D Program of the Ministry of Science and Technology of China)

呂彭民，博士生導師，教授，從事機械動態(tài)仿真與優(yōu)化設計及結(jié)構(gòu)抗疲強度與可靠性研究；E-mail：lpmin@chd.edu.cn