平地机铲刀弧形结构研究

崔步安，侯志强，倪翔宇，朱浩月，廖 昊，李 亮

(1.江苏徐工工程机械研究院有限公司，江苏 徐州 221004；2.徐工集团 高端工程机械智能制造国家重点实验室，江苏 徐州 221004)

0 引 言

平地机是一种以铲刀为主体，配以其他多种可换的作业装置(前推后松)，进行土壤铲掘、平整和修刮的铲土运输施工机械，主要用于道路、机场、农田、水利等大面积土壤平整作业。

目前，平地机采用的多种先进技术使其整机铲掘性能不断提升，但铲刀弧形优化一直制约产品的性能，铲刀体弧线结构类型对铲掘效率及铲掘性能的影响非常显著[1]。本文将徐工GR180平地机与国外某品牌平地机进行对比，研究铲刀体弧线结构类型的设计及加工问题。

1 铲刀结构参数的确定

平地机及其铲刀的结构如图1、2所示，经过分析，本文提出如下平地机铲刀的各结构参数的设计原则。

图1 平地机结构

图2 平地机铲刀结构参数

(1)入土角度γ。入土角度γ是刀片与地面之间的夹角，减小γ能降低切土阻力[2-3]。试验表明，当γ小到一定程度时，随着铲刀前方土壤厚度的增加，铲刀附近的土壤会给铲刀施加一个向下的压力，这个压力有提高平地机与地面附着力的作用，可改善机器牵引性能。但是，过小的入土角度γ会导致铲刀的刃尖角度φ太小，降低铲刀的强度，故推荐铲刀的入土角度γ为33°～37°。

(2)翻土角度α。在铲土过程中，铲掘下来的土壤沿着铲刀面向上滑移，当满铲后，这些土壤会在铲刀上沿处以α角度做斜抛运动。所以翻土角度a的设计准则是将土壤抛至尽可能远的位置，这样既可以减小作业阻力，也可以增加推土量。图3是模拟得出的抛射距离与翻土角的关系，可以看出，α角的取值范围在37° ～41° 之间比较合理。

图3 抛射距离与翻土角的关系

(3)铲掘角度β。研究表明，过小的铲掘角度β会导致作业阻力增大[4]，过大的铲掘角度β会减小铲刀前面的堆土高度。当β在6° ～10°之间时，能保证介质对铲刀体产生垂直向下的载荷，同时前进方向上的牵引力也会随之增加，从而产生很好的综合效果。

(4)铲刀后角度δ。较大的铲刀后角度δ可以减小铲刀下部与地面的摩擦力，但铲刀后角度过大会降低刀刃的强度，平地机的铲刀后角度δ取6° ～8° 比较合理。

(5)铲刀横断面的形式。铲刀的横断面有圆弧形、抛物线形和渐开线形，由于目前铲刀面都是钢板巻制成型，圆弧形的巻制工艺性最好，但不能同时满足以上各种角度的所有要求；渐开线的曲率半径是朝一个方向逐步变化的，铲刀面的受力比较平稳。通常认为平地机采用渐开线形的铲刀断面比较合理[5-6]。

2 仿渐开线铲刀体的结构设计

由于巻制渐开线曲面的工艺难度比较大，本文以对徐工GR180平地机的铲刀设计为例，提出一种用2段圆弧近似制作渐开线铲刀曲面的方法。徐工GR180平地机的铲刀主要参数为：铲刀弦长L=0.61 m，入土角度γ=35°，抛射角度α=40°，铲掘角度β=8°。

如图4所示，所设计的铲刀弧面AP0D是由圆弧AP0和圆弧P0D构成，圆弧AP0的半径为R1，圆弧P0D的半径为R2，两段圆弧在P0点相切，两段圆弧的圆心(M0、N0)都在水平线J0K0上，M0到A点的水平距离为x，M0到A点的垂直距离为y，M0、N0之间的距离为z。故R1、R2之间存在如下关系。

图4 近似渐开线铲刀面形成原理

在确定了x、y、z、R1、R2以后，就可以确定铲刀的弧面AP0D。

3 仿渐开线铲刀体的试验验证

通过上述数学模型的建立与应用，试制一款仿渐开线铲刀体，对铲刀弧线与整机附着力的关系开展研究。当铲掘过程中介质对铲刀产生的垂直方向作用力与水平方向阻力达到平衡状态时，测试获得整机的最大牵引力数值[7-9]。

(1)仿渐开线铲刀体与国外产品的铲刀体在相似的姿态下，其整机的牵引力(附着系数)性能比国外产品高7.7%。

(2)试验测试时保持前轮正压力相同，铲掘前后轮正压力产生相同变化铲刀处所需起吊力小，说明在铲掘过程中受到介质的浮起力小，对应分配到整机后桥的浮起力小(铲刀受力后桥分配)，整机附着力就大。

(3)对试制仿渐开线铲刀体与国外样机达到满铲状态所耗用的时间进行对比，结果见表1。仿渐开线铲刀体能够快速实现满铲，说明其铲掘效率或产量得到了大大的提升。

表1 铲刀到达满铲状态所用时间 s

4 结 语

本文通过建立数学模型及分析计算，解决了一种仿渐开线铲刀体连续结构的设计及加工工艺问题，将作业过程中附着力增加难题转化为铲刀弧面设计方法问题，引入一种仿渐开线铲刀体连续辊压成型的设计方法及数学计算模型。

(1)仿真及试验结果显示，当翻土角度保持在6°～10°的状态下，入土角度及抛土角度分别保持33°～37°及37°～41°时，铲刀按照正常的作业姿态工作，其铲掘效率最高；数学模型同时验证该角度及姿态下铲刀体受到的压力和阻力达到平衡状态。

(2)对有约束条件下的方程解及工程应用中连续辊压加工工艺等问题通过建立数值模型加以解决，将渐开线弧形加工用仿渐开线连续辊压的方法近似替代，取两者之长获得工程应用中一种新型加工弧线的方案。

(3)该结构的铲刀体作业时刀片与介质之间还能形成一个与地面成6°的间隙角度，使得刀片既能顺利地切入介质，又能不被磨损得太严重，从而延长刀片的使用寿命，实现最佳的翻土效果。