基于平面铲板结构改进的土壤切削阻力试验研究

贺雨田,吕彭民,桂发君

(1.长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西 西安 710064；2.西安特种设备检验检测院，陕西 西安 710065)



基于平面铲板结构改进的土壤切削阻力试验研究

贺雨田1,2,吕彭民1,桂发君1

(1.长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西 西安 710064；2.西安特种设备检验检测院，陕西 西安 710065)

通过分析平面铲板对土壤切削的理论模型，研究平面铲板在90°切削倾角下对土壤的切削过程；为减小该切削倾角下的切削阻力，对平面铲板进行结构改进，在其刃缘加装6种不同长度的水平铲刀；以平面铲板和结构改进的L型铲板为切削工具，以级配土为试验对象，采用自行研制的拉拽式土壤切削试验装置进行土壤切削试验研究；通过对比分析发现，对铲板进行结构改进后，由于水平铲刀对土壤的剪切作用，使切削过程中的切削阻力显著减小；水平铲刀长度在不同切削深度下存在一个最优值，但切削深度较小时该值并不明显；最后，根据试验结果，对不同切削深度下水平铲刀的长度进行优选；采用优选值代替最优值，拟合出了水平铲刀长度随切削深度的变化曲线，并对加装水平铲刀导致切削阻力减小的内在机理进行分析。

平面铲板;土壤切削;剪切;切削阻力;切削深度;水平铲刀

土壤切削是土方机械主要的作业过程，由于土壤的物理特性复杂，土壤切削过程中的切削阻力也具有随机特征，准确测定切削阻力是对土方机械作业性能进行评价和优化的基础[1-3]。改善土壤切削过程的切削阻力，不仅可以在作业过程中使机械能耗得到有效改善，而且可以为设计提供参考依据，特别是在当前能源大量耗费的社会背景下，节能降耗已成为土壤切削研究非常重视的一个问题[4]。切削阻力的影响因素较多[5]，可以将其分为两类，一类是内因，由土壤内在的物理特性决定，如抗剪强度、密度和含水量等；另一类是外因，由机械与土壤的相互作用关系决定，包括铲刀结构、切削速度、切削倾角和切削深度等。吴娜等[6]对蜣螂唇基曲面形状的挖土切割过程进行了研究，认为这种天然的优化形状对减小挖掘阻力有重要作用；王国庆[7]以非饱和土壤为切削对象，采用有限元仿真建立了高速切削理论模型，为降低切削的比能耗进行了有益的探索;Miedema[8]分析了土壤切削的破坏机制，根据被切削材料的类型，将破坏机制分为4种失效模型：分别是卷边破坏、流动破坏、剪切破坏和撕裂破坏，并指出了各种破坏模型的适用情况;郭志军等[9-10]针对农业耕作部件仿生曲线结构的特点，引入了纵深比的概念，对不同纵深比下的力学特性进行了研究，并采用有限元方法对不同准线的耕作部件进行切削阻力计算；赵丹等[11]针对隧道施工掘进过程中的盾构机，建立了滚刀和切刀的塑性力学模型；NASA[12]为了提高月球挖掘设备的使用可靠性，对测试切削阻力和八种土壤切削力学模型进行了比较，并建议在较小切削深度下开展作业。尽管众多专家在土壤切削阻力和切削过程进行了研究，也建立了一些计算模型，但由于土壤切削过程较为复杂，影响切削阻力的因素较多，且土壤内在的一些因素又是不可控的，这给准确的定量分析带来很大困难。本文利用作者研发的试验装置，通过试验研究的方法，探索通过改变外因条件采用减少切削阻力的方法和途径。

1　切削理论

土壤切削过程较为复杂，但土壤的物理特性相对稳定时，对于确定的切削工具切削阻力仍遵循一定的变化规律。平面铲板由于其简单的结构，在理论和试验研究中是被广泛使用的土壤切削工具，通常情况下，平面铲板的切削阻力随着切削位移的增加逐步增大，当达到满载状态后，切削阻力趋于稳定，继续对土壤进行切削，切削阻力将在一个稳定值上下波动。

在土壤切削过程中，可以根据平面铲板对土壤的作用分解为两部分作业运动的合成：其一是铲板插入地面以下部分对土壤的切削作业，其二是铲板在地面以上部分对切削土壤的推运作业[13]，其切削土壤的切削机理如图1所示。参数v为切削速度，d为切削深度，h为地面以上对土壤进行推运作业的最大高度，该值在达到稳定状态时基本是不变的，H为切削过程的最大触土深度；切削过程存在一个失效面，当切削阻力趋于稳定时，失效面也基本是确定的，也就是说，此时铲板在地面以下部分对土壤的切削作业和地面以上部分对土壤的推运作业都趋于稳定状态，实际情况下为一条曲线，在应用分析时可简化为一条直线，该直线与水平面的夹角β为土壤的剪切角；由于切削过程中土壤不断堆积，对土壤剪切的失效区域存在堆积土壤的重力作用，在计算土壤剪切力时，需要考虑该力的作用，可近似看作均布力q；土壤剪切和推运过程伴随着土壤的流动，在重力作用下，土堆中心断面形成的曲线可以近似为一条直线。

图1　土壤切削过程的稳定状态Fig.1 Steady state of soil cutting process

与上述土壤切削机理相对应，切削过程的切削阻力也可以认为是两部分力的合成：一部分是土壤的摩擦力和重力，另一部分土壤的内聚力[14]。当平面铲板以90°切削倾角条件下切削土壤，铲板上的切削阻力无重力的直接作用，因此，重力的作用在该条件下可以忽略。

2　试验过程

2.1试验装置

试验装置为自行研制的引拽式土壤切削设备，拉拽作业在矿山施工中经常被采用，是一种非常经济的作业方式[15]。设备为矩形结构，长为4 000mm，宽为1 200mm，高为240mm，主要由刚性框架导轨、铲板车架、牵引装置和拉力传感器组成，结构三维图如图2(a)所示。卷扬机构固定在矩形框架上，通过钢丝绳牵引车架，在钢丝绳与车架之间安装拉力传感器，车架与车轴固定，安装在车轴两端的车轮沿导轨运动，实现铲板对土壤的切削。为了使试验过程简单有效，该装置有三处主要的结构改进：①切削过程采用拉拽牵引方式，减小了偏载对切削过程数据采集的影响，提高了切削过程的相对稳定性，且该切削方式可以通过一个拉力传感器实现数据采集，使试验过程更简单；②采用V型车轮，嵌入上下两根由角钢形成的导轨，导轨固定焊接在矩形框架上，使车轮在垂直和水平方向均被约束，避免了单轨装置在切削过程中经常因车轮脱轨而发生切削翘尾现象，如图2(b)所示；③铲板与车架的固定方式采用螺栓连接，车架前支撑板上有两处垂直槽，铲板可以方便地沿槽的方向进行切削深度的调整，如图2(c)所示。

(a)三维视图；(b)车轮与导轨纵向剖面图；(c)车架支撑板垂直槽图2　试验装置Fig.2 Testing apparatus

在整个切削试验过程中，为了简化数据分析，试验过程将设备机械系统的摩擦阻力考虑成土壤切削阻力的一部分，采用一个综合的水平牵引力表征切削阻力，忽略垂直力以及导轨和车架之间滚动摩擦阻力的影响。试验采用了2种结构，一种为平面铲板，另一种为改进结构，即在传统的平面铲板上加装了水平铲刀，结构如图3所示，图3(a)为平面铲板(可视为水平铲刀长度为0)，图3(b)为加装水平铲刀的L型铲板。水平铲刀长度分别选择为15，30，45，60，75和90mm；试验还确定了30，60，90和120mm4种切削深度。

(a)平面铲板；(b)L型铲板图3　铲板结构Fig.3 Blades structure

2.2土壤物理特性

切削土壤是由50%的河砂、20%旱砂和30%黄土构成的级配土，通过筛分试验，获得了级配土的不同粒径所占总质量的比例，见图4。每次切削试验完成后对土壤回填并进行人工压实，为保证切削试验的准确性，选择两个点测定土壤密度，各次土壤密度的测试值在1.5-1.7g/cm3之间。

3　试验结果

根据上述试验过程，对7种铲板结构和4种不同切削深度组合，共完成28组试验，试验过程的切削速度恒定，大小约为0.12m/s，每次切削试验的用时基本在20s左右，试验最短用时大于15s，虽未完成整个可移动位移上的切削，但对切削阻力均值并无显著影响。因设备原因，试验过程会出现卡阻、切削不稳定等现象，但这仅出现在少数切削过程中，且均在试验过程的15s以后，因此，所采集数据能反应切削过程的实际变化情况。

土壤切削试验的整个切削过程比较平稳，切削过程中，随着铲板的移动，铲板前端土壤逐渐堆积，当切削阻力相对稳定时，土堆也基本成稳定形态，图5(a)为切削过程中铲板前端土壤的堆积情况；所有L型铲板在平面铲板与水平铲刀的直角空间内会产生土壤滞留区，该区域的土壤在切削过程中是不流动的，图5(b)为退刀后仍滞留在直角空间内的土壤，根据对试验的观察，有水平铲刀条件下切削过程均是相似的。

图4　土壤级配曲线Fig.4 Grading curve of soil

(a)切削过程的土壤堆积；(b)退刀后L型铲板的土壤滞留图5　土壤切削试验Fig.5 Soil cutting test

图6分别给出了4种切削深度下，无水平铲刀的平面铲板和加装水平铲刀的L型铲板的切削阻力随位移变化的对比曲线，测试结果的横坐标为位移，除切削深度为120mm时无水平铲刀条件下的切削位移小于2m外，其余有效值均超过2m，纵坐标为切削阻力。图中黑色曲线为无水平铲板条件下切削阻力变化情况，粉色曲线为加装水平铲刀条件下的变化曲线。通过对曲线的对比可以看出，加装水平铲到后切削阻力得到有效改善，而且切削阻力的波动也明显减小。

(a)切削深度H=30 mm；(b)切削深度H=60 mm(c)切削深度H=90 mm；(d)切削深度H=120 mm图6　不同切削深度下切削阻力对比变化曲线Fig.6 Variation curves of cutting resistance under different cutting depth

4　对比分析

随着切削深度的增加，不同深度切削试验条件下切削阻力均增加，近似呈线性关系，见图7。在不同切削条件下，切削深度为30mm且水平铲刀长度为90mm时的切削阻力略有增加，这与土壤在水平铲刀上大量堆积关系密切，该条件下，在L型铲板直角处形成一个较大的不流动区域，在切削过程中，不仅要切削土壤，而且需要推动不流动区域堆积的土壤，因此，会导致切削阻力增大；其余有水平铲刀条件下的切削阻力较无水平铲刀条件下均减小，不同切削深度下减小百分比如图8所示。

图7　切削阻力在不同切削条件下随深度变化曲线图Fig.7 Variation curves of cutting resistance with depth under different cutting condition

图8　不同切削深度下切削阻力减小百分比Fig.8 Cutting resistance percentage decrease under different cutting depth

4种切削深度下切削阻力随水平铲刀长度均呈现“大—小—大”的变化趋势，如图9所示。从曲线的变化规律看，水平垂直铲板在一定切削深度下加装水平铲刀，可以有效减少切削阻力，且水平铲刀长度对切削阻力的影响存在一个最优值；根据试验结果对不同切削深度下水平铲刀的长度进行优选，切削深度为120mm和90mm时水平铲刀的优选值分别为60mm和30mm；这两种条件下的优选值与最优值应基本是一致的。

为了更准确的判断切削深度为60mm和30mm条件下水平铲刀的最优长度，加做了这两种切削深度下水平铲刀长度为10mm的切削试验，试验所得切削阻力均大于水平铲刀为15mm条件下的切削阻力，这表明切削深度为60mm和30mm条件下水平铲刀的最优值均接近15mm。从试验结果看，水平铲刀最优值随切削深度的变化遵循切削深度减小水平铲刀最优长度也减小的规律，但切削深度减小到30mm时，水平铲刀最优长度的减小趋势并不明显，且加装10，15和30mm的水平铲刀时切削阻力相差不大，这与切削阻力由土壤剪切破坏和土壤推运两部分力组成有关。当切削深度较小时，推运土壤产生的阻力是切削阻力的主要影响因素，而地面以下铲板切削土壤对切削阻力的影响将减小，从而出现了切削深度较小时切削阻力在一个水平铲刀长度范围内相差不大的现象。因此，切削深度越小，水平铲刀对土壤的剪切影响也越小，假设铲板不切削土壤而单纯做推土作业，也就是切削深度d为0时，在摩擦较小的条件下，水平铲刀理论上在一定范围内对切削阻力将不产生影响，故上述现象符合变化规律。

图9　切削阻力在不同切削深度下随水平铲刀长度变化曲线Fig.9 Variation curves of cutting resistance with length of horizontal blade under different cutting depth

根据试验结果，忽略切削深度为30mm条件下所对应优选值的点，将切削深度为120，90和60mm时水平铲刀的优选值60，30和15mm近似为最优值，可获得3个坐标点，再加上零点，通过4点拟合出水平铲刀长度随切削深度的变化曲线，拟合结果如图10所示。图中纵轴粗直线与水平粗直线构成了试验给定切削深度下L型铲板的最佳结构。

根据铲板结构改进对土壤进行切削阻力的试验可以看出，当切削深度一定时，水平铲刀存在一个最优值使切削阻力最小，这一现象的原因在于水平铲刀对土壤的垂直剪切作用。无水平铲刀时，平面铲板对土壤的剪切为土壤整体受压状态下的强剪过程；加装水平铲刀后，水平铲刀对土壤会产生垂直剪切作业，使土壤在切削过程中提前分为上下两层，从而使铲板对上层土壤剪切作用力减小，因此，切削阻力也随之减小。但水平铲刀长度较小时，上下分层范围太小，长度较大时，又会出现摩擦阻力较大和分层土壤较多而导致推土阻力较大的现象，因此，在确定深度下水平铲刀长度存在一个最优值，使切削过程的切削阻力最小。

图10　水平铲刀长度最优值与切削深度变化关系曲线Fig.10 Curves of optimum length of horizontal blade with cutting depth

5　结论

1)影响平面铲板对土壤切削过程切削阻力的因素较多，通过结构改进是优化切削阻力的有效途径，平面铲板在90°切削倾角下对土壤进行切削时，加装水平铲刀可以减小切削阻力、改善切削过程的稳定性，且该方法在实际应用中比较容易实现，可以作为一种改善工程施工的方法。

2)当切削深度一定时，水平铲刀长度对切削阻力的影响一定存在一个最优值，在对不同水平铲刀长度进一步细分的基础上，该最优值可以通过切削试验近似获得；

3)绘制了水平铲刀长度与切削深度变化关系曲线，当切削深度较深时，水平铲刀最优值较为明显，但切削深度较小时，水平铲刀长度在一个范围内对土壤切削阻力的影响相近；

4)分析了水平铲刀可导致切削阻力减小的原因，结合实际应用可以判断，不同切削深度下加装最优长度的水平铲刀可以最大程度上减小切削阻力，但不同切削深度下的最佳切削阻力在应用效率上同样存在最优工作状态。

5)试验过程未考虑试验装置的机械摩擦，从试验结果看，当切削深度不大时，试验数据存在一定误差，随着切削深度的不断增加，由试验装置的机械摩擦引起的切削阻力误差可以忽略不计。

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Experimental study of soil cutting resistance based on structural improvement of flat blade

HE Yutian1,2,LU Pengmin1,GUI Fajun1

(1.KeyLaboratoryofRoadConstruction&EquipmentofMOE,Chang’anUniversity,Xi’an710064,China;2.Xi’AnSpecialEquipmentInspectionInstitute,Xi’an710065,China)

Accordingtoanalysisoftheoreticalmodelforsoilcutting,cuttingprocessofbladeundercuttinganglewith90degreewasinvestigated.Inordertoreducecuttingresistanceofthisconditionduringsoilcuttingprocess,thestructureimprovementwasimplemented,andsixadditionalhorizontalbladeswithdifferentlengthwasinstalledtoblade-edge.Sevengroupsofgradingsoilcuttingtestswithself-designedpullingtractiontestingapparatuswasexperimentallystudied.Basedonthecomparison,wefoundthathorizontalbladewasabletoreducecuttingresistanceeffectivelyduetotheshearactiononsoil.Therewasanoptimumlengthvalueofhorizontalbladeunderdifferentcuttingdepth,butitisnotevidentwhenthecuttingdepthissmall.Onthebasisofresults,preferredlengthvaluesofhorizontalbladeunderdifferentcuttingdepthweredetermined.Thecurvesoflengthofhorizontalbladewithcuttingdepthwasfittedbyreplacingpreferredvalueswithoptimalvalues,andthemechanismofdecreaseofthecuttingresistancewasanalyzed.

flatblades；soilcutting；shear；cuttingresistance；cuttingdepth；horizontalblade

2015-11-28

国家科技支撑计划资助项目(2015BAF07B02)

吕彭民(1957-)，男，陕西渭南人，教授，从事机械动态仿真与优化设计及结构抗疲强度与可靠性研究；E-mial：lpmin@chd.edu.cn

TU411

A

1672-7029(2016)07-1261-07