賀雨田, 呂彭民, 張建兵, 郭龍龍, 吳 文

(1. 西安石油大學 機械工程學院，陜西 西安 710065； 2. 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; 3. 西安石油大學 西安市高難度復雜油氣井完整性評價重點實驗室，陜西 西安 710065)

0 引 言

土壤推運作業(yè)在公路、建筑、礦業(yè)和農(nóng)業(yè)等工程中應用廣泛[1-3]。針對土壤推運試驗和理論模型的相關(guān)研究中，分析土壤推運機理、降低推運工作阻力、改善土壤推運效果、提高作業(yè)穩(wěn)定性等受到研究者的廣泛關(guān)注[4]。B. M. WILLMAN等[5]指出，作業(yè)工具的幾何外形是影響推運工作阻力的關(guān)鍵因素，其余因素須在該條件確定的前提下進行進一步討論。因此，針對鏟刀形狀的設計是土壤推運作業(yè)工具的重要研究方向之一[6]。常見的鏟刀形狀包括平面鏟刀和曲面鏟刀，其中曲面鏟刀又可細分為圓弧面、拋物面、雙曲面和仿生曲面鏟刀[7]。由此可知，雖然鏟刀形狀多種多樣，但針對其外形設計的主要目的仍是為了降低工作阻力和改善推運效果。為了更形象地表述試驗用鏟刀的形狀，將平面鏟刀稱為Ⅰ型鏟刀，曲面鏟刀稱為C型鏟刀。

Ⅰ型鏟刀結(jié)構(gòu)簡單，在推運作業(yè)過程中僅受作業(yè)傾角α、作業(yè)深度d、鏟板寬度w和推運速度v共4個 因素的影響[8]。而C型鏟刀的結(jié)構(gòu)設計影響因素較多，目前普遍采用如下方法：即針對不同曲面形狀的鏟刀，開展優(yōu)選對比試驗，并通過工作阻力改善效果評價，從而獲得較為合理的鏟刀曲面形狀[9]。I. SHMULEVICH等[10]設計了4種鏟刀，以砂土為作業(yè)介質(zhì)開展了試驗研究并采用離散單元法進行了模擬分析，但4種鏟刀除了刃緣的刀角相同之外，鏟刀的外形變化并無明顯規(guī)律可循；郭志軍等[11]采用經(jīng)典推土板設計理論，設計了9種不同觸土曲面形狀的鏟刀，并進行了試驗對比研究，發(fā)現(xiàn)仿生曲面鏟刀減阻效果明顯；T. TSUJI等[12]以玻璃粒為推運介質(zhì)，采用試驗和離散元模擬兩種方法對推運過程進行研究，其中模擬時設計的鏟刀是對工程用曲面鏟刀的近似。

從上述鏟刀外形設計可以看出，曲面形狀在實際中比較常見，而且為了降低工作阻力和改善推運作業(yè)的效果，通常會盡可能選擇最優(yōu)的曲面形狀，但這一最優(yōu)結(jié)構(gòu)往往與設計者的設計思路關(guān)系密切，甚至具有一定主觀性。此外，不同形狀鏟刀之間工作阻力的對比并無有效的可量化對比參數(shù)，故而鏟刀形狀設計尚未建立較為系統(tǒng)且具有規(guī)律和特征的設計方法。因此，在大量研究中，為了簡化研究方法，諸多研究人員通常采用平面鏟刀為作業(yè)工具開展相關(guān)理論分析和試驗研究[13-14]。

但無論是Ⅰ型鏟刀還是C型鏟刀，在推運過程中，鏟刀刃緣對土壤的破壞起著至關(guān)重要的作用。相同鏟刀的刃緣位置發(fā)生變化，會顯著影響土壤推運過程的工作阻力[15]。以Ⅰ型鏟刀為例，針對特定物理特性的土壤，當推運速度v和鏟刀寬度w確定時，在一定作業(yè)深度d下，作業(yè)傾角α是影響土壤推運工作阻力的唯一因素[8]。而Ⅰ型鏟刀作業(yè)傾角α的改變意味著鏟刀刃緣位置的改變，以作業(yè)傾角90°時的刃緣位置為比較對象，當作業(yè)傾角α不斷減小時，鏟刀刃緣位置不斷前移。對C型鏟刀而言，不同鏟刀的差異主要體現(xiàn)在幾何外形上，當鏟刀曲面的幾何外形發(fā)生變化時，其鏟刀刃緣位置也會發(fā)生相應變化。通過上述分析可知，當不同鏟刀在幾何外形上存在差異時，可以將鏟刀刃緣位置作為一個量化參數(shù)來比較不同形狀鏟刀工作阻力的大小。

筆者以Ⅰ型鏟刀和C型鏟刀為作業(yè)工具，以砂土為推運作業(yè)介質(zhì)，引入不同形狀鏟刀刃緣位置相同的概念，并將刃緣位置量化后視為比較參數(shù)；針對給定的2種鏟刀共確定了4個相同的刃緣位置，在120 mm和150 mm 2種作業(yè)深度下，開展了土壤推運試驗研究；以刃緣位置相同為比較前提，對2種鏟刀在不同作業(yè)深度下的工作阻力進行比較，從而判斷鏟刀形狀對土壤推運作業(yè)過程的有益影響，同時對不同形狀鏟刀的推運作業(yè)效果進行了評價。

1 推運理論

土壤推運作業(yè)過程的工作阻力變化可以分為兩個階段：首先是工作阻力逐漸增加階段，而后是工作阻力趨于穩(wěn)定后的平穩(wěn)推運階段。圖1為Ⅰ型鏟刀和C型鏟刀在平穩(wěn)推運階段對土壤推運作業(yè)的一個瞬時狀態(tài)。假設2種鏟刀推運作業(yè)的土堆輪廓線相同；h為鏟刀與推運土壤的觸土高度；d為作業(yè)深度；α1為Ⅰ型鏟刀的作業(yè)傾角；α2為C型鏟刀的作業(yè)傾角；圖1中，土壤作業(yè)深度內(nèi)的兩條斜曲線分別為Ⅰ型鏟刀和C型鏟刀對土壤推運作業(yè)的失效面。

圖1 土壤推運過程Fig. 1 Process of soil bulldozing

一般而言，在Ⅰ型鏟刀對土壤進行推運作業(yè)過程中，進入平穩(wěn)推運階段后，當作業(yè)傾角α1減小，工作阻力隨著作業(yè)傾角α1的減小而減小，且土壤破壞的失效面會隨作業(yè)傾角α1的減小而后移[16]。對C型鏟刀而言，當鏟刀刃緣位置與Ⅰ型鏟刀相同時，由于幾何形狀的原因，C型鏟刀的作業(yè)傾角α2小于Ⅰ型鏟刀的作業(yè)傾角α1，因此，C型鏟刀土壤破壞的失效面相對于Ⅰ型鏟刀也是后移的(見圖1)。此時，可以以刃緣位置相同為比較前提，對Ⅰ型鏟刀和C型鏟刀的工作阻力進行對比，建立不同形狀鏟刀之間工作阻力對比的可量化參數(shù)。

2 試驗過程

2.1 鏟刀結(jié)構(gòu)

試驗用鏟刀結(jié)構(gòu)如圖2。圖2(a)為Ⅰ型鏟刀，其中，L和L1分別為鏟刀長度和刃緣位置，mm，作業(yè)傾角α是影響Ⅰ型鏟刀工作阻力的主要因素，這三者之間的關(guān)系見式(1)：

L1=L·cosα

(1)

圖2(b)為C型鏟刀，該鏟刀曲面為圓弧狀，且圓弧半徑為450 mm，其中，L2表示C型鏟刀的刃緣位置，mm。當L1與L2相等時，可視為Ⅰ型鏟刀和C型鏟刀的刃緣位置相同。2種鏟刀的寬度均設計為300 mm，研究表明，寬深比增加時，工作阻力呈緩慢增加的趨勢，在一定范圍內(nèi)寬深比較大更有利于土壤推運。該實驗鏟刀的最小寬深比大于2，因此，在鏟刀類型上屬于寬板鏟刀[17]。

圖2 鏟刀結(jié)構(gòu)Fig. 2 Blade structure

當Ⅰ型鏟刀對土壤進行推運作業(yè)時，其工作阻力隨作業(yè)傾角α減小而減小。由此可知，作業(yè)傾角α不宜過大，因為其過大會導致工作阻力過大，但同時作業(yè)傾角也不能過小，過小則不能有效開展土壤推運作業(yè)，無法實現(xiàn)土壤推運的目的。因此，為了達到工程作業(yè)目的，根據(jù)實際情況，Ⅰ型鏟刀的作業(yè)傾角α應保持在一定范圍內(nèi)，筆者分別選擇80°、75°、70°和65°共4個作業(yè)傾角開展試驗。

為了確保C型鏟刀和Ⅰ型鏟刀的刃緣位置相同，需要確定C型鏟刀的刃緣位置。首先，按式(1)可得，Ⅰ型鏟刀在4個作業(yè)傾角80°、75°、70°和65°下的刃緣位置L1分別約為87、129、171、211 mm。C型鏟刀采用工裝進行固定，該工裝可以安裝在車架上，是一個可以與C型鏟刀圓弧面配合的槽型框架結(jié)構(gòu)，C型鏟刀沿配合面可以轉(zhuǎn)動，圖3給出了安裝示意。先確定鏟刀刃緣位置L2為87 mm時的鏟刀安裝位置，將工裝和鏟刀同時標記，并把標記位置設為零位。以此零位為起點，將鏟刀依次沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)3個角度，便可得到C型鏟刀與Ⅰ型鏟刀刃緣前移距離相同的鏟刀固定位置。

為了簡化鏟刀旋轉(zhuǎn)方法，且在試驗中具有可操作性，并使旋轉(zhuǎn)后C型鏟刀的位置更準確，采用作圖法計算出3個旋轉(zhuǎn)角度所對應的3段弧長C1、C2和C3。經(jīng)計算測量，3段弧長的長度分別約為63、60、50 mm。在鏟刀工裝上標記零位，在C型鏟刀上標記3個弧長的端點位置，通過依次旋轉(zhuǎn)對齊，可以得到與Ⅰ型鏟刀刃緣位置相同的C型鏟刀的其余3個位置。

圖3 C型鏟刀的刃緣位置確定Fig. 3 Edge position determination of C-shape blade

2.2 試驗過程

選擇砂土為推運介質(zhì)開展試驗研究。該砂土在實驗室環(huán)境自然陰干，含水量近似為零。對砂土進行隨機密度測試，其平均密度約為1.52 g/cm3。經(jīng)過土壤篩分試驗得知，砂土最大粒徑不超過5 mm，粒徑大于0.5 mm的砂土顆粒約占砂土總質(zhì)量的70%，不同粒徑范圍砂土占總質(zhì)量百分比見表1。在完成每組土壤推運試驗后，進行回填并人工壓實，然后平整砂土，保證試驗時砂土密度接近平均密度。

表1 砂土粒徑分布Table 1 Size distribution of sand

推運試驗在自行研制的牽引式土壤推運裝置上進行，整體結(jié)構(gòu)及主要部件如圖4。試驗裝置長為6.0 m、寬為1.2 m、高為0.24 m，整體呈矩形結(jié)構(gòu)，以電動葫蘆為動力源，通過鋼絲繩卷揚，以拉拽方式牽引車架沿導軌前進，從而使車架上的鏟刀對土壤進行推運作業(yè)。鋼絲繩和車架拉環(huán)處安裝了拉力傳感器進行工作阻力數(shù)據(jù)采集，并通過Dewesoft應力應變儀對數(shù)據(jù)進行記錄和處理。Ⅰ型鏟刀和C型鏟刀在4種相同刃緣位置下，選擇120、150 mm兩種作業(yè)深度開展試驗，推運速度為0.12 m/s。

3 試驗結(jié)果

Ⅰ型鏟刀和C型鏟刀在4個刃緣位置和2種作業(yè)深度下，共完成16次土壤推運試驗。根據(jù)Ⅰ型鏟刀與C型鏟刀刃緣位置相同的對應關(guān)系，將2種鏟刀在相同作業(yè)深度下的推運試驗結(jié)果視為一組，并將采集數(shù)據(jù)繪制在一個坐標系內(nèi)，其中位移為橫坐標，工作阻力為縱坐標，得到8組工作阻力隨位移的變化曲線，如圖5和圖6。

圖4 試驗裝置Fig. 4 Testing equipment

圖5 刃緣相同條件下Ⅰ型和C型鏟刀工作阻力曲線(d=120 mm)Fig. 5 Working resistance curves of I-shape blade and C-shape blade under the same blade edge condition (d=120 mm)

圖6 刃緣相同條件下Ⅰ型和C型鏟刀工作阻力曲線(d=150 mm)Fig. 6 Working resistance curves of I-shape blade and C-shape blade under the same blade edge condition (d=150 mm)

從試驗結(jié)果可以看出，推運過程均經(jīng)歷了工作阻力逐漸增加和平穩(wěn)推運兩個階段，僅有1次試驗的位移小于4 m，但大于3.5 m，其余15次試驗的位移均大于4 m。在工作阻力逐漸增加階段，Ⅰ型鏟刀工作阻力增加相對平緩，而C型鏟刀工作阻力的增加速度相對較快；進入穩(wěn)定推運階段后，Ⅰ型鏟刀在部分作業(yè)條件下推運過程具有一定波動，如圖5(a)、圖6(c)，而C型鏟刀工作阻力變化相對平穩(wěn)。此外，5組試驗〔圖5(b)、圖5(c)、圖5(d)、圖6(a)和圖6(d)〕在進入平穩(wěn)推運階段后的工作阻力比較接近，其中圖5(b)和5(d)中曲線近乎重合；其余3組試驗〔圖5(a)、圖6(b)和圖6(c)〕在進入平穩(wěn)推運階段后，C型鏟刀的工作阻力小于Ⅰ型鏟刀。

4 對比分析

通過進一步計算平均工作阻力，對2種鏟刀在相同刃緣位置下的試驗結(jié)果進行對比。平均工作阻力是位移在2～4 m范圍內(nèi)工作阻力曲線數(shù)據(jù)的均值(位移小于4 m時按3.5 m計)。圖7為Ⅰ型鏟刀和C型鏟刀在2種作業(yè)深度下且刃緣位置相同時的平均工作阻力對比。由圖7(a)可知：在作業(yè)深度為120 mm條件下，當刃緣位置為87 mm時，2種鏟刀的平均工作阻力差異不大，C型鏟刀的平均工作阻力略小，比Ⅰ型鏟刀小2.3%；當刃緣位置為129、171、211 mm時，C型鏟刀的平均工作阻力相對較大，比Ⅰ型鏟刀分別大3.3%、13.8%和2.0%。由圖7(b)可知：在作業(yè)深度為150 mm條件下，當刃緣位置為87 、211 mm時，C型鏟刀的平均工作阻力略大，比Ⅰ型鏟刀分別大4.2%和3.3%；當刃緣位置為129、171 mm時，C型鏟刀的平均工作阻力相對較小，比Ⅰ型鏟刀分別小了8.0%和16.1%。

圖7 兩種鏟刀平均工作阻力對比Fig. 7 Comparison of average working resistance for two blades

從以上對比分析可以看出，當刃緣位置為87mm時，也就是刃緣位置較小的情況下，2種鏟刀的在不同作業(yè)深度下的工作阻力比較接近，最大誤差為4.2%。這是由于當刃緣位置較小時，作業(yè)傾角相對較大，且C型鏟刀在該刃緣位置下的作業(yè)傾角與Ⅰ型鏟刀相差不大，因此，2種鏟刀的工作阻力比較接近；而且從圖7(b)還可以看出，C型鏟刀在作業(yè)深度為150 mm時的工作阻力大于Ⅰ型鏟刀，這與C型鏟刀的幾何外形會導致土壤推運體積增加有關(guān)，因此，C型鏟刀在刃緣位置較小的情況下沒有體現(xiàn)出對工作阻力的有益影響。

當刃緣位置為211 mm時，也就是刃緣位置較大的情況下，即作業(yè)傾角相對較小，2種鏟刀在不同作業(yè)深度下的工作阻力也較為接近，最大誤差僅為3.3%。此時，由于作業(yè)傾角相對較小，工作阻力也明顯相對偏小，因此，鏟刀對土壤的推運能力有所下降。但由于土壤的物理特性是確定的，鏟刀在該刃緣位置下對土壤的剪切破壞作用力相差不大，導致鏟刀對土壤的剪切作用力在總推運工作阻力中的占比增加。因此，刃緣位置較大時，C型鏟刀也沒有在推運作業(yè)中體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。

當刃緣位置為129 mm和171 mm時，該刃緣位置確定的作業(yè)傾角與實際鏟刀比較接近。此時，2種鏟刀在不同作業(yè)深度下的工作阻力呈現(xiàn)相反的變化結(jié)果：當作業(yè)深度為120 mm時，C型鏟刀的工作阻力均比Ⅰ型鏟刀大，最大增加了13.8%，也就是說Ⅰ型鏟刀更有利于推運作業(yè)；作業(yè)深度為150 mm時，C型鏟刀的工作阻力均比Ⅰ型鏟刀小，最大減少了16.1%，即C型鏟刀可以有效改善推運作業(yè)。這兩種相反的對比結(jié)果與鏟刀作業(yè)深度增加而導致的鏟刀與推運土壤的觸土高度h值增大有關(guān)。當作業(yè)深度較小時，觸土高度h值較小，此時，在相同刃緣條件下Ⅰ型鏟刀更有利于推運作業(yè)；當作業(yè)深度較大時，觸土高度h值隨之也會增大，此時，C型鏟刀的曲面結(jié)構(gòu)更有利于土壤的流動，從而與Ⅰ型鏟刀相比，其工作阻力得到了有效改善。因此，作業(yè)深度較小時，可以采用結(jié)構(gòu)簡單的Ⅰ型鏟刀進行土壤推運作業(yè)；當作業(yè)深度較大時，需要考慮鏟刀形狀的結(jié)構(gòu)設計，采用帶有C型曲面的復雜特征結(jié)構(gòu)鏟刀可以實現(xiàn)改善工作阻力的目的。

5 結(jié) 論

1) 針對Ⅰ型和C型2種不同幾何外形的鏟刀，以4個相同刃緣位置為比較前提，分別在2種作業(yè)深度下，開展了土壤推運對比試驗。

2) 當刃緣位置相對較小或較大時，2種鏟刀的工作阻力比較接近，這表明當刃緣位置較小或較大時鏟刀形狀對工作阻力的影響不大。

3) 當刃緣位置確定的作業(yè)傾角與實際鏟刀相近時，在不同作業(yè)深度下，鏟刀形狀對工作阻力產(chǎn)生了明顯的影響。深度較小時，Ⅰ型鏟刀更有利于推運作業(yè)；深度較大時，C型鏟刀的工作阻力相對更小，因此，鏟刀形狀設計需要考慮作業(yè)深度的影響。

4) 由于刃緣位置會影響鏟刀推運作業(yè)的工作阻力，針對不同幾何外形的鏟刀，可以以刃緣位置為量化參數(shù)對工作阻力進行比較。