賀雨田，呂彭民，張建兵，郭龍龍，張翠紅

不同土壤條件下水平板對平面鏟刀工作阻力的影響

賀雨田1，呂彭民2，張建兵1，郭龍龍1，張翠紅1

(1. 西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2. 長安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064)

在砂土和級配土確定的3種土壤條件下，給定90°和60° 2種作業(yè)傾角，選擇作業(yè)深度為90 mm，以水平板長度(0，30和60 mm)不同的L型鏟刀為作業(yè)工具開展土壤推運(yùn)試驗(yàn)，并對相同土壤條件和相同作業(yè)傾角下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析。研究結(jié)果表明：L型鏟刀在一定作業(yè)條件下可以有效改善推運(yùn)工作阻力，但土壤條件是影響L型鏟刀改善工作阻力的前提，即土壤抗剪強(qiáng)度較大時(shí)，L型鏟刀對工作阻力的有益影響更為顯著；當(dāng)土壤條件相同時(shí)，L型鏟刀對工作阻力的有益影響程度與作業(yè)傾角關(guān)系密切；當(dāng)土壤條件和作業(yè)傾角都確定時(shí)，L型鏟刀對工作阻力的有益影響程度與水平板長度有關(guān)，且該水平板長度存在一個(gè)最優(yōu)值使L型鏟刀在相同作業(yè)條件下的工作阻力最小。

鏟刀；土壤條件；水平板；推運(yùn)作業(yè)；工作阻力

土壤推運(yùn)在各類基建工程中應(yīng)用廣泛[1?2]，有效改善土壤推運(yùn)的工作阻力可以提高作業(yè)效率并減少能源消耗。由于鏟刀結(jié)構(gòu)對土壤推運(yùn)工作阻力影響顯著，Brian等[3]強(qiáng)調(diào)研究其他因素的影響要以鏟刀結(jié)構(gòu)為前提。但影響鏟刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外在因素較多，導(dǎo)致鏟刀與土壤的相互作用關(guān)系復(fù)雜多變[4]。一般地，以特定的土壤介質(zhì)為作業(yè)對象進(jìn)行推運(yùn)試驗(yàn)研究，并進(jìn)一步探索不同鏟刀結(jié)構(gòu)對工作阻力的影響是研究鏟刀與土壤相互作用關(guān)系的重要方法之一[5]。但為了減少外在因素的影響，針對土壤推運(yùn)的相關(guān)研究往往以平面鏟刀為作業(yè)工具[6?7]。Hettiaratchi等[8]指出平面鏟刀對土壤的作業(yè)過程中，在鏟刀前端存在一個(gè)楔形狀“死區(qū)”，“死區(qū)”內(nèi)的土壤不流動，且作業(yè)傾角越大，“死區(qū)”范圍越顯著。Miedema[9]對楔形狀“死區(qū)”的受力情況進(jìn)行了理論分析，并以飽和土為作業(yè)對象進(jìn)行了試驗(yàn)研究。賀雨田等[10]根據(jù)平面鏟刀在大作業(yè)傾角下存在土壤楔形的這一特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了L型鏟刀，根據(jù)水平板長度的不同，該鏟刀結(jié)構(gòu)可以人為地制造出不同的楔形狀“死區(qū)”，從而達(dá)到改善推運(yùn)工作阻力的目的。從本質(zhì)上講，楔形狀“死區(qū)”的存在，其根本作用是減小了鏟刀對土壤推運(yùn)的作業(yè)傾角，因此，通過設(shè)計(jì)合理的鏟刀結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)改善推運(yùn)阻力的目的。REN等[11]對鏟刀結(jié)構(gòu)的改進(jìn)源于對自然結(jié)構(gòu)的仿生，在鏟刀與土壤接觸的內(nèi)表面采用了仿生凸起結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使鏟刀減少了對土壤的黏附。郭志軍等[12]采用經(jīng)典推土板設(shè)計(jì)理論，設(shè)計(jì)了9種不同觸土曲面形式的鏟刀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)了仿生曲面鏟刀減阻效果明顯。Shmulevich等[13]設(shè)計(jì)了大拋物面鏟刀、小拋物面鏟刀、垂直面鏟刀和平面鏟刀4種結(jié)構(gòu)形式，以砂土為介質(zhì)開展了試驗(yàn)研究并采用離散單元法進(jìn)行了模擬分析，但4種鏟刀在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上并無明顯的變化規(guī)律，設(shè)計(jì)具有一定的主觀性。因此，如何通過鏟刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)推運(yùn)工作阻力改善的目的，并可以以可量化參數(shù)進(jìn)行對比值得進(jìn)一步探索。針對推運(yùn)作業(yè)介質(zhì)的選擇，在諸多相關(guān)試驗(yàn)研究中，為了保持作業(yè)介質(zhì)的穩(wěn)定性，往往會選擇無黏聚力的砂土或者顆粒物為作業(yè)對象，這是由于此類介質(zhì)的流動性好，而且土壤條件容易控制。Ikuya 等[14]以干砂為推運(yùn)對象，進(jìn)行了模擬和試驗(yàn)研究。Tsuji等[15]以玻璃粒為推運(yùn)介質(zhì)，以降低能耗為目的，采用模擬和試驗(yàn)方法研究了平面和曲面推土鏟刀的作業(yè)過程。Coetzee等[16]以谷物顆粒為作業(yè)對象，研究了平面鏟刀和直角鏟刀在推運(yùn)過程中谷物的流動特性。從宏觀層面來看，作業(yè)介質(zhì)是影響工作阻力的根本原因，這種以特定工作介質(zhì)為對象來研究其他因素對推運(yùn)阻力的影響比較常見。但仍需研究鏟刀在不同作業(yè)介質(zhì)中的推運(yùn)特性，從而為鏟刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。本文以砂土和級配土所確定的3種不同物理特性的土壤為推運(yùn)介質(zhì)，在對3種推運(yùn)介質(zhì)抗剪強(qiáng)度比較的基礎(chǔ)上，以3組水平板長度不同的鏟刀結(jié)構(gòu)為作業(yè)工具，并選擇2種不同作業(yè)傾角，開展了土壤推運(yùn)試驗(yàn)。對3種鏟刀結(jié)構(gòu)在相同作業(yè)傾角和相同土壤物理特性條件下的工作阻力進(jìn)行了對比，定量化地分析了水平板長度變化對不同物理特性土壤推運(yùn)平均工作阻力的影響，從而探索L型鏟刀對推運(yùn)阻力的改善效果，并進(jìn)一步確定水平板長度的有益影響范圍和在不同物理特性土壤條件下的有效性和適用性。

1 推運(yùn)理論

當(dāng)土壤條件一定，采用平面鏟刀為工具開展土壤推運(yùn)作業(yè)時(shí)，影響工作阻力的4個(gè)主要參數(shù)為作業(yè)傾角，作業(yè)深度，鏟刀寬度和推運(yùn)速度[17]。但在工程實(shí)際中，鏟刀寬度通常是確定的。當(dāng)作業(yè)深度和推運(yùn)速度也確定時(shí)，只有作業(yè)傾角對作業(yè)阻力產(chǎn)生影響，其基本關(guān)系是工作阻力隨著作業(yè)傾角的減小而減小。但就土壤推運(yùn)作業(yè)而言，作業(yè)傾角不能無限減小，因?yàn)楫?dāng)作業(yè)傾角為零時(shí)，平面鏟刀將不能對土壤進(jìn)行推運(yùn)。因此，為了達(dá)到工程作業(yè)目的，平面鏟刀的作業(yè)傾角應(yīng)保持在一定范圍內(nèi)。那么當(dāng)作業(yè)傾角一定時(shí)，工作阻力是否可以進(jìn)一步改善。賀雨田等[10]提出了對平面鏟刀加裝水平板的方法，該方法在給定土壤條件下，且平面鏟刀作業(yè)傾角為90°時(shí)得到有效驗(yàn)證。

圖1給出了加裝水平板的平面鏟刀對土壤推運(yùn)作業(yè)的一個(gè)瞬時(shí)狀態(tài)，為鏟刀與推運(yùn)土壤的觸土高度，為作業(yè)深度，為作業(yè)傾角，為土壤失效角，實(shí)際的土壤推運(yùn)失效面是不斷變化的，但通過理論近似，可以將失效面視為一個(gè)平面，失效角就是近似失效面與推運(yùn)方向的夾角。從土壤推運(yùn)作業(yè)的機(jī)理來看，水平板對土壤直接進(jìn)行垂直剪切作業(yè)，使土壤在水平板所確定的平面內(nèi)上下分離，這導(dǎo)致推運(yùn)過程中在水平板區(qū)域內(nèi)原本是土壤與土壤的摩擦作用變成土壤與水平板的相互摩擦作用，從而使推運(yùn)過程中的摩擦阻力有效降低，這樣的土壤分離也可以有效改善平面鏟刀對上層土壤的推運(yùn)效果；此外，由于平面鏟刀與水平板形成了一個(gè)楔形的夾角空間容易產(chǎn)生土壤滯留現(xiàn)象，該空間內(nèi)存在土壤滯留的區(qū)域被稱為“死區(qū)”，該區(qū)域的存在使土壤沿“死區(qū)”形成的斜面上流動，理論上改變了土壤推運(yùn)過程的實(shí)際作業(yè)傾角，在一定程度上改善了土壤的流動性，這對減小工作阻力也是有益的。

圖1 土壤推運(yùn)過程

因此，對平面鏟刀加裝水平板可以產(chǎn)生2個(gè)有益效果：一是水平板使推運(yùn)土壤以作業(yè)深度為平面提前上下分層；二是水平板與平面鏟刀形成的夾角空間里人為制造了一個(gè)楔形滯留區(qū)，一定程度上改善了土壤的流動過程。從上述分析可以得知，加裝水平板可以改善工作阻力，但可以判斷的是，水平板并非在任意作業(yè)傾角下都會產(chǎn)生有益效果，因此，有必要進(jìn)一步研究不同作業(yè)傾角下水平板對工作阻力的有益影響范圍，并分析不同土壤條件下水平板長度變化對工作阻力的影響。

2 試驗(yàn)過程

2.1 土壤條件

選擇砂土和級配土為作業(yè)介質(zhì)開展試驗(yàn)研究。砂土配置2種物理特性：一種為自然狀態(tài)下陰干的干砂土；另一種為干砂土加水后，含水達(dá)到4.0%左右的濕砂土。級配土由50%河砂、20%旱砂和30%黃土構(gòu)成，平均含水量在5.5%左右。干砂土粒徑大于0.5 mm的砂土顆粒約占砂土總質(zhì)量的70%，其平均密度約1.52 g/cm3，濕砂土平均密度約1.55 g/cm3，級配土平均密度約1.62 g/cm3，3種作業(yè)介質(zhì)的物理特性見表1。

表1 土壤物理特性

文獻(xiàn)[18]指出土壤黏聚力隨密度增大而增大，且干密度從1.4～1.7 g/cm3黏聚力明顯增大。當(dāng)法向壓力為0時(shí)，抗剪強(qiáng)度等于黏聚力。因此，土壤的抗剪強(qiáng)度隨密度增大而增大，2種作業(yè)介質(zhì)在3種土壤條件下抗剪強(qiáng)度的大小關(guān)系為：干砂土最小，級配土最大，濕砂土介于二者之間。

對干砂土進(jìn)行推運(yùn)試驗(yàn)時(shí)，在試驗(yàn)完成后，直接回填、平整并進(jìn)行人工壓實(shí)，每次試驗(yàn)前進(jìn)行密度測試。濕砂土與級配土在推運(yùn)試驗(yàn)前，需要進(jìn)行灑水和翻土作業(yè)，然后平整壓實(shí)，并進(jìn)行密度測試，完成推運(yùn)試驗(yàn)后，重復(fù)前述過程，保證土壤密度和含水量在控制在合理范圍內(nèi)。

2.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用自行研制的拉拽式土壤推運(yùn)裝置，如圖2所示。2個(gè)試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)相同和工作原理相同，試驗(yàn)裝置由剛性框架、鏟刀車架、牽引裝置、拉力傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)5部分組成。剛性框架的寬度和高度一樣，分別為寬1.2 m和高0.24 m，其主要區(qū)別是剛性框架的長度不同，砂土推運(yùn)試驗(yàn)裝置長6.0 m，級配土試驗(yàn)裝置的長4.0 m。采用電葫蘆為動力源，通過鋼絲繩的卷揚(yáng)運(yùn)動，以拉拽方式牽引車架沿導(dǎo)軌前進(jìn)，從而使車架上的鏟刀對土壤進(jìn)行推運(yùn)作業(yè)，鋼絲繩和車架拉環(huán)處安裝了拉力傳感器進(jìn)行工作阻力數(shù)據(jù)采集，并通過Dewesoft應(yīng)力應(yīng)變儀對數(shù)據(jù)記錄和處理。

2.3 鏟刀結(jié)構(gòu)

開展推運(yùn)試驗(yàn)的鏟刀結(jié)構(gòu)有2類：一類是平面鏟刀，另一類是有水平板的平面鏟刀，該鏟刀根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，以下均稱為L型鏟刀。所有鏟刀寬度均為300 mm，鏟刀高度(縱向長度)為500 mm。在2種作業(yè)傾角90°和60°下開展推運(yùn)試驗(yàn)，根據(jù)該試驗(yàn)方案，共設(shè)計(jì)了3組鏟刀結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

(a) 砂土試驗(yàn)裝置；(b) 級配土試驗(yàn)裝置

其中圖3(a)是作業(yè)傾角為90°時(shí)的鏟刀結(jié)構(gòu)，該組鏟刀在3種土壤條件下開展推運(yùn)試驗(yàn)；圖3(b)是作業(yè)傾角為60°的鏟刀結(jié)構(gòu)，該組鏟刀在干砂土和濕砂土中開展推運(yùn)試驗(yàn)；圖3(c)亦是作業(yè)傾角為60°的鏟刀結(jié)構(gòu)，該組鏟刀是對平面鏟刀進(jìn)行了折彎后得到的，折彎處距刃緣水平面的縱向高度為200 mm，這是由于級配土抗剪強(qiáng)度相對較大，為保證鏟刀的強(qiáng)度而采用了這樣的設(shè)計(jì)方案，該組鏟刀僅在級配土中開展推運(yùn)試驗(yàn)。

所設(shè)計(jì)的3組鏟刀結(jié)構(gòu)，可以分為2類：一類是平面鏟刀(無水平板的鏟刀)，即圖3(a)，3(b)和3(c)所示左側(cè)鏟刀；另一類是L型鏟刀(有水平板的鏟刀)，即圖3(a)，3(b)和3(c)所示右側(cè)鏟刀。為了以水平板長度為條件開展對比研究，將平面鏟刀的水平板長度視為0(=0)。然后，L型鏟刀選擇了水平板長度為30 mm和60 mm的2種結(jié)構(gòu)，加上平面鏟刀(水平板長度=0)，可以視為共有3種不同水平板長度的鏟刀在作業(yè)介質(zhì)中開展土壤推運(yùn)作業(yè)，也就是鏟刀結(jié)構(gòu)的水平板長度=0，=30 mm和=60 mm的3種情況。

針對砂土和級配土確定的3種土壤條件，全部鏟刀結(jié)構(gòu)均在作業(yè)深度90 mm下開展土壤推運(yùn)試驗(yàn)，所有試驗(yàn)的土壤推運(yùn)速度恒定，均為0.12 m/s。由于試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)的原因，針對干砂土和濕砂土的有效推運(yùn)位移在4 m左右，而針對級配土的有效推運(yùn)位移在2 m左右。

(a) 90°(砂土、級配土)；(b) 60°(砂土)；(c) 60°(級配土)

3 試驗(yàn)結(jié)果

針對3種土壤條件和2種作業(yè)傾角確定的6種作業(yè)工況，3種鏟刀共完成土壤推運(yùn)試驗(yàn)18次。將相同土壤條件和相同作業(yè)傾角下3種鏟刀的推運(yùn)試驗(yàn)結(jié)果視為一組，并把土壤推運(yùn)工作阻力變化曲線繪制在一個(gè)坐標(biāo)系中，得到6組工作阻力對比曲線，如圖4所示(圖中橫坐標(biāo)為位移，縱坐標(biāo)為工作阻力)。圖4(a)和圖4(b)，圖4(c)和圖4(d)，圖4(e)和圖4(f)分別為3種鏟刀對干砂土、濕砂土、級配土在90°和60° 2種作業(yè)傾角下推運(yùn)工作阻力的變化曲線。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，由于試驗(yàn)裝置剛性框架長度不同，針對級配土推運(yùn)試驗(yàn)的位移相對偏小，但推運(yùn)作業(yè)過程都經(jīng)歷了工作阻力隨位移逐漸增加和工作阻力基本穩(wěn)定2個(gè)階段。而針對干砂土和濕砂土的推運(yùn)試驗(yàn)，工作阻力隨位移逐漸增加和基本穩(wěn)定2個(gè)階段非常明顯。其中，針對干砂土的6次推運(yùn)試驗(yàn)中，有2次推運(yùn)試驗(yàn)的位移小于4 m，但大于3.5 m(作業(yè)傾角90°下水平板長度=0 mm和=30 mm時(shí)對干砂土的推運(yùn)試驗(yàn))，其余4次試驗(yàn)的推運(yùn)位移均大于4 m；針對濕砂土的6次試驗(yàn)的推運(yùn)位移均超過4 m；針對級配土的6次推運(yùn)試驗(yàn)中，有1次試驗(yàn)的推運(yùn)位移略小于2 m(作業(yè)傾角60°時(shí)，=30 mm的作業(yè)條件下)，還有1次試驗(yàn)的推運(yùn)位移約1.75 m(作業(yè)傾角60°時(shí)，=60 mm的作業(yè)條件下)，其余4次試驗(yàn)的推運(yùn)位移均大于2.2 m。

(a) 干砂土(α=90°)；(b) 干砂土(α=60°)；(c) 濕砂土(α=90°)；(d) 濕砂土(α=60°)；(e) 級配土(α=90°)；(f) 級配土(α=60°)

4 結(jié)果分析與討論

為了開展對比研究，需要計(jì)算平均工作阻力。針對干砂土和濕砂土的推運(yùn)試驗(yàn)，其平均工作阻力取位移2.0 m到4.0 m之間的工作阻力的平均值；其中2次位移在3.5 m至4.0 m之間的推運(yùn)試驗(yàn)，其平均工作阻力取位移2.0 m到3.5 m之間的工作阻力的平均值。針對級配土的推運(yùn)試驗(yàn)，其平均工作阻力取位移1.5 m到2.2 m之間的工作阻力的平均值，其余2次推運(yùn)位移小于2 m的推運(yùn)試驗(yàn)，其平均阻力為位移1.0 m到位移終點(diǎn)之間的工作阻力的平均值。首先，對作業(yè)傾角為90°時(shí)，不同土壤條件下平均工作阻力隨水平板長度的變化規(guī)律進(jìn)行對比，以水平板長度為橫坐標(biāo)，以平均工作阻力為總坐標(biāo)，繪制平均工作阻力在不同作業(yè)傾角下隨水平板長度變化的曲線。在3種土壤條件下，作業(yè)傾角為90°時(shí)平均工作阻力隨水平板長度的變化規(guī)律如圖5所示。以平面鏟刀對3種土壤推運(yùn)的工作阻力為基礎(chǔ)值，將L型鏟刀的工作阻力值進(jìn)行對比，其工作阻力減小百分比見圖6。

圖5 作業(yè)傾角90°時(shí)平均工作阻力隨水平板長度變化規(guī)律

圖6 作業(yè)傾角90°時(shí)平均工作阻力減小百分比

從圖5和圖6可以看出：針對干砂土的推運(yùn)作業(yè)，3種鏟刀的推運(yùn)平均工作阻力比較接近，且水平板為30 mm和60 mm的L型鏟刀分別使工作阻力減少了0.4%和6.9%，因此，水平板長度對干砂土推運(yùn)平均工作阻力的影響不大；針對濕砂土的推運(yùn)作業(yè)，平均工作阻力隨水平板長度增加呈現(xiàn)“先減后增”的變化規(guī)律，也就是水平板長度為30 mm的鏟刀對平均工作阻力的改善最為明顯，且水平板為30 mm和60 mm的L型鏟刀分別使工作阻力減少了13.6%和5.8%，因此，L型鏟刀對濕砂土的推運(yùn)作業(yè)具有一定影響；L型鏟刀對級配土進(jìn)行推運(yùn)作業(yè)時(shí)，平均工作阻力隨水平板長度的增加而減小，且水平板為30 mm和60 mm的L型鏟刀分別使工作阻力減少了32.5%和37.2%，這表明L型鏟刀在該土壤條件下可有效改善平均工作阻力，且水平板長度大的鏟刀改善效果更佳。

在3種土壤條件下，作業(yè)傾角為60°時(shí)平均工作阻力隨水平板長度的變化規(guī)律如圖7所示，其工作阻力減少百分比如圖8所示。

圖7 作業(yè)傾角60°時(shí)平均工作阻力隨水平板長度變化規(guī)律

圖8 作業(yè)傾角60°時(shí)平均工作阻力減小百分比

從圖7和圖8可以看出：鏟刀對干砂土推運(yùn)作業(yè)時(shí)，平均工作阻力隨水平板長度的增加而增加，且水平板為30 mm和60 mm的L型鏟刀分別使工作阻力增加了21.0%和43.8%，這表明給L型鏟刀對干砂土推運(yùn)作業(yè)會產(chǎn)生不利影響；針對濕砂土的推運(yùn)作業(yè)，L型鏟刀對濕砂土推運(yùn)的平均工作阻力基本一致，且水平板為30 mm和60 mm的L型鏟刀分別使工作阻力增加了0.5%和0.9%，因此，水平板沒有起到改善工作阻力的作用；針對級配土的推運(yùn)作業(yè)時(shí)，平均工作阻力隨水平板長度的變化規(guī)律為“先減后增”，水平板為30 mm和60 mm的L型鏟刀分別使工作阻力減少了25.3%和1.5%，即在60°作業(yè)傾角下， L型鏟刀仍可在一定程度上改善工作阻力。

從上述變化規(guī)律可以看出，平均工作阻力隨水平板長度的變化在3種土壤條件下存在顯著區(qū)別，主要體現(xiàn)在L型鏟刀對3種土壤推運(yùn)工作阻力的改善效果上。對干砂土推運(yùn)作業(yè)的影響程度：當(dāng)作業(yè)傾角為90°時(shí)，影響很小，當(dāng)作業(yè)傾角為60°時(shí)，存在不利影響；對濕砂土推運(yùn)作業(yè)的影響程度：當(dāng)作業(yè)傾角為90°時(shí)，存在一定有益影響，或當(dāng)作業(yè)傾角為60°時(shí)，影響很?。粚壟渫镣七\(yùn)作業(yè)的影響程度：當(dāng)作業(yè)傾角為90°時(shí)，具有顯著影響，或當(dāng)作業(yè)傾角為60°時(shí)，存在一定有益影響。根據(jù)3種土壤的抗剪強(qiáng)度的大小關(guān)系，水平板對抗剪強(qiáng)度較大的土壤影響效果更為有益。其影響程度見表2。

表2 L型鏟刀對不同土壤條件工作阻力改善的影響

對L型鏟刀在3種土壤條件下進(jìn)行綜合比較可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)作業(yè)傾角為90°時(shí)， L型鏟刀在3種土壤條件下均在一定程度上改善了推運(yùn)作業(yè)的平均工作阻力，L型鏟刀結(jié)構(gòu)對3種土壤的推運(yùn)過程均會產(chǎn)生有益影響；當(dāng)作業(yè)傾角為60°時(shí)，L型鏟刀針對級配土的推運(yùn)作業(yè)仍具有一定有益影響，但對干砂土和濕砂土的推運(yùn)作業(yè)導(dǎo)致工作阻力不降反增，且對干砂土推運(yùn)作業(yè)產(chǎn)生顯著不利影響；這表明水平板對推運(yùn)作業(yè)的有益影響隨著土壤抗剪強(qiáng)度的減小而顯著弱化，即土壤抗剪強(qiáng)度小時(shí)，水平板對工作阻力的有益影響程度和影響范圍較小，土壤抗剪強(qiáng)度較大時(shí)，水平板對工作阻力的改善效果較為明顯，而且還可以看出水平板對抗剪強(qiáng)度較大土壤的有益影響范圍也相對較大。因此，水平板的有益影響效果隨著抗剪強(qiáng)度的增加而更為顯著。從這一規(guī)律可以進(jìn)一步推斷，當(dāng)土壤的抗剪強(qiáng)度更大時(shí)，這種有益影響程度將更為突出。因此，針對抗剪強(qiáng)度比較大的土壤，采用L型鏟刀進(jìn)行推運(yùn)作業(yè)可以有效實(shí)現(xiàn)改善工作阻力的目的。

同時(shí)，從變化規(guī)律還可以看出：水平板在作業(yè)傾角較大時(shí)對工作阻力的改善較為明顯，當(dāng)作業(yè)傾角較小時(shí)，水平板對抗剪強(qiáng)度較小的干砂土和濕砂土?xí)a(chǎn)生不利影響。這是由于干砂土和濕砂土的流動性相對較好，當(dāng)作業(yè)傾角較小時(shí)，水平板的存在不能有效產(chǎn)生“死區(qū)”效益，反而會增加鏟刀與土壤的接觸面積。這里可以作一個(gè)極端假設(shè)予以說明，如果平面鏟刀以作業(yè)傾角為0對土壤進(jìn)行重剪切作業(yè)，這時(shí)水平板的存在必將導(dǎo)致工作阻力的增加。此外，水平板長度不同時(shí)，對工作阻力的影響也存在差異，以級配土為例，當(dāng)作業(yè)傾角為60°時(shí)，水平板長度為30 mm的L型鏟刀對工作阻力改善最為明顯，因此，水平板長度在不同作業(yè)條件下存在一個(gè)最優(yōu)值。

為了考慮不同因素的綜合影響，采用和單因素分析相似的方法，將水平板長度和土壤密度視為變量，在三維坐標(biāo)系中得到不同作業(yè)傾角下水平板長度和土壤密度對工作阻力的影響(見圖9)。其中，圖9(a)為作業(yè)傾角90°時(shí)工作阻力與水平板長度和土壤密度的關(guān)系曲面，圖中，點(diǎn)，點(diǎn)和點(diǎn)分別為3種土壤條件下不同鏟刀結(jié)構(gòu)推運(yùn)作業(yè)的平均工作阻力最小值，將3點(diǎn)相連，可得一條空間折線，該空間折線在水平板長度和土壤密度的投影線為點(diǎn)，點(diǎn)和點(diǎn)的連線，該投影線可視為作業(yè)傾角90°時(shí)不同土壤密度下，L型鏟刀的水平板長度最優(yōu)匹配曲線。同理，圖9(b)所示的由點(diǎn)，點(diǎn)和點(diǎn)相連的投影線為作業(yè)傾角60°時(shí)不同土壤密度條件下，L型鏟刀的水平板長度最優(yōu)匹配曲線。因此，在不同土壤條件下，可以根據(jù)最優(yōu)匹配曲線選擇合理的L型鏟刀結(jié)構(gòu)。

(a) α=90°；(b) α=60°

5 結(jié)論

1) 土壤條件是L型鏟刀在推運(yùn)作業(yè)過程中能否有效改善工作阻力的前提，對抗剪強(qiáng)度較大的土壤，L型鏟刀對推運(yùn)工作阻力的改善效果比較顯著，對抗剪強(qiáng)度小的土壤，L型鏟刀對推運(yùn)工作阻力的有益影響程度和影響范圍較小，因此，針對抗剪強(qiáng)度較大的土壤采用L型鏟刀更有利于推運(yùn)作業(yè)。

2) 針對試驗(yàn)確定的3種土壤條件，L型鏟刀對推運(yùn)工作阻力的改善效果還與鏟刀的作業(yè)傾角關(guān)系密切，在一定作業(yè)深度下，當(dāng)作業(yè)傾角較大時(shí)，工作阻力改善較為顯著，當(dāng)作業(yè)傾角較小時(shí)，有益影響效果減弱或?qū)a(chǎn)生不利影響。

3) L型鏟刀的水平板長度變化對土壤推運(yùn)工作阻力的影響程度也存在明顯差異，工作阻力隨水平板長度增加呈現(xiàn)“逐漸減小、先減后增和逐漸增加”3種變化規(guī)律，因此，水平板長度在確定土壤條件和給定作業(yè)傾角下存在一個(gè)最優(yōu)值使工作阻力達(dá)到最小。

4) 土壤條件不同時(shí)，在一定作業(yè)傾角下，可以根據(jù)土壤條件與水平板長度之間相互最優(yōu)匹配關(guān)系，對鏟刀結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

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Effect of horizontal plate on working resistance of flat blade under different soil conditions

HE Yutian1, Lü Pengmin2, ZHANG Jianbing1, GUO Longlong1, ZHANG Cuihong1

(1. School of Mechanical Engineering, Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065, China;2. Key Laboratory of Road Construction & Equipment of MOE, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

Soil bulldozing experiments with L-type blade in different lengths (0, 30 and 60 mm) of horizontal plate were carried out in soil bin filled with three different soils made of sand and graded soil under two rake angles of 90 and 60 degrees at working depth of 90 mm, and comparisons of experimental results under identical soil condition and the same rake angle were analyzed. The experimental studies show that L-type blades are able to effectively reduce the working resistance under certain operating conditions, however, the soil conditions are the prerequisite for the L-type blade to reduce the working resistance, and the L-type blade has a significantly beneficial effect on the cutting resistance when the shear strength of soil is large. When the soil conditions are the same, the beneficial effects of the L-type blades on the working resistance are closely related to the rake angles. When the soil conditions and the rake angles are determined, the beneficial effects of the L-type blades on the working resistance are related to the length of the horizontal plate, and there is an optimal length for the horizontal plate to minimize the working resistance of the L-type blade under the same working conditions.

blade; soil condition; horizontal plate; bulldozing operation; working resistance

TU411

A

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200661

1672 ? 7029(2021)02 ? 0383 ? 09

2020?07?15

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃(2019JM-295)；道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長安大學(xué))開放基金資助項(xiàng)目(300102258502)

呂彭民(1957?)，男，陜西渭南人，教授，從事機(jī)械動態(tài)仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)抗疲強(qiáng)度與可靠性研究；E?mial：lpmin@chd.edu.cn

(編輯 蔣學(xué)東)