不同土壤条件下水平板对平面铲刀工作阻力的影响

贺雨田，吕彭民，张建兵，郭龙龙，张翠红

不同土壤条件下水平板对平面铲刀工作阻力的影响

贺雨田1，吕彭民2，张建兵1，郭龙龙1，张翠红1

(1. 西安石油大学 机械工程学院，陕西 西安 710065；2. 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)

在砂土和级配土确定的3种土壤条件下，给定90°和60° 2种作业倾角，选择作业深度为90 mm，以水平板长度(0，30和60 mm)不同的L型铲刀为作业工具开展土壤推运试验，并对相同土壤条件和相同作业倾角下的试验结果进行对比分析。研究结果表明：L型铲刀在一定作业条件下可以有效改善推运工作阻力，但土壤条件是影响L型铲刀改善工作阻力的前提，即土壤抗剪强度较大时，L型铲刀对工作阻力的有益影响更为显著；当土壤条件相同时，L型铲刀对工作阻力的有益影响程度与作业倾角关系密切；当土壤条件和作业倾角都确定时，L型铲刀对工作阻力的有益影响程度与水平板长度有关，且该水平板长度存在一个最优值使L型铲刀在相同作业条件下的工作阻力最小。

铲刀；土壤条件；水平板；推运作业；工作阻力

土壤推运在各类基建工程中应用广泛[1−2]，有效改善土壤推运的工作阻力可以提高作业效率并减少能源消耗。由于铲刀结构对土壤推运工作阻力影响显著，Brian等[3]强调研究其他因素的影响要以铲刀结构为前提。但影响铲刀结构设计外在因素较多，导致铲刀与土壤的相互作用关系复杂多变[4]。一般地，以特定的土壤介质为作业对象进行推运试验研究，并进一步探索不同铲刀结构对工作阻力的影响是研究铲刀与土壤相互作用关系的重要方法之一[5]。但为了减少外在因素的影响，针对土壤推运的相关研究往往以平面铲刀为作业工具[6−7]。Hettiaratchi等[8]指出平面铲刀对土壤的作业过程中，在铲刀前端存在一个楔形状“死区”，“死区”内的土壤不流动，且作业倾角越大，“死区”范围越显著。Miedema[9]对楔形状“死区”的受力情况进行了理论分析，并以饱和土为作业对象进行了试验研究。贺雨田等[10]根据平面铲刀在大作业倾角下存在土壤楔形的这一特点，设计了L型铲刀，根据水平板长度的不同，该铲刀结构可以人为地制造出不同的楔形状“死区”，从而达到改善推运工作阻力的目的。从本质上讲，楔形状“死区”的存在，其根本作用是减小了铲刀对土壤推运的作业倾角，因此，通过设计合理的铲刀结构，可以实现改善推运阻力的目的。REN等[11]对铲刀结构的改进源于对自然结构的仿生，在铲刀与土壤接触的内表面采用了仿生凸起结构，该结构使铲刀减少了对土壤的黏附。郭志军等[12]采用经典推土板设计理论，设计了9种不同触土曲面形式的铲刀结构发现了仿生曲面铲刀减阻效果明显。Shmulevich等[13]设计了大抛物面铲刀、小抛物面铲刀、垂直面铲刀和平面铲刀4种结构形式，以砂土为介质开展了试验研究并采用离散单元法进行了模拟分析，但4种铲刀在设计结构上并无明显的变化规律，设计具有一定的主观性。因此，如何通过铲刀结构设计，实现推运工作阻力改善的目的，并可以以可量化参数进行对比值得进一步探索。针对推运作业介质的选择，在诸多相关试验研究中，为了保持作业介质的稳定性，往往会选择无黏聚力的砂土或者颗粒物为作业对象，这是由于此类介质的流动性好，而且土壤条件容易控制。Ikuya 等[14]以干砂为推运对象，进行了模拟和试验研究。Tsuji等[15]以玻璃粒为推运介质，以降低能耗为目的，采用模拟和试验方法研究了平面和曲面推土铲刀的作业过程。Coetzee等[16]以谷物颗粒为作业对象，研究了平面铲刀和直角铲刀在推运过程中谷物的流动特性。从宏观层面来看，作业介质是影响工作阻力的根本原因，这种以特定工作介质为对象来研究其他因素对推运阻力的影响比较常见。但仍需研究铲刀在不同作业介质中的推运特性，从而为铲刀结构设计与结构优化提供参考。本文以砂土和级配土所确定的3种不同物理特性的土壤为推运介质，在对3种推运介质抗剪强度比较的基础上，以3组水平板长度不同的铲刀结构为作业工具，并选择2种不同作业倾角，开展了土壤推运试验。对3种铲刀结构在相同作业倾角和相同土壤物理特性条件下的工作阻力进行了对比，定量化地分析了水平板长度变化对不同物理特性土壤推运平均工作阻力的影响，从而探索L型铲刀对推运阻力的改善效果，并进一步确定水平板长度的有益影响范围和在不同物理特性土壤条件下的有效性和适用性。

1 推运理论

当土壤条件一定，采用平面铲刀为工具开展土壤推运作业时，影响工作阻力的4个主要参数为作业倾角，作业深度，铲刀宽度和推运速度[17]。但在工程实际中，铲刀宽度通常是确定的。当作业深度和推运速度也确定时，只有作业倾角对作业阻力产生影响，其基本关系是工作阻力随着作业倾角的减小而减小。但就土壤推运作业而言，作业倾角不能无限减小，因为当作业倾角为零时，平面铲刀将不能对土壤进行推运。因此，为了达到工程作业目的，平面铲刀的作业倾角应保持在一定范围内。那么当作业倾角一定时，工作阻力是否可以进一步改善。贺雨田等[10]提出了对平面铲刀加装水平板的方法，该方法在给定土壤条件下，且平面铲刀作业倾角为90°时得到有效验证。

图1给出了加装水平板的平面铲刀对土壤推运作业的一个瞬时状态，为铲刀与推运土壤的触土高度，为作业深度，为作业倾角，为土壤失效角，实际的土壤推运失效面是不断变化的，但通过理论近似，可以将失效面视为一个平面，失效角就是近似失效面与推运方向的夹角。从土壤推运作业的机理来看，水平板对土壤直接进行垂直剪切作业，使土壤在水平板所确定的平面内上下分离，这导致推运过程中在水平板区域内原本是土壤与土壤的摩擦作用变成土壤与水平板的相互摩擦作用，从而使推运过程中的摩擦阻力有效降低，这样的土壤分离也可以有效改善平面铲刀对上层土壤的推运效果；此外，由于平面铲刀与水平板形成了一个楔形的夹角空间容易产生土壤滞留现象，该空间内存在土壤滞留的区域被称为“死区”，该区域的存在使土壤沿“死区”形成的斜面上流动，理论上改变了土壤推运过程的实际作业倾角，在一定程度上改善了土壤的流动性，这对减小工作阻力也是有益的。

图1 土壤推运过程

因此，对平面铲刀加装水平板可以产生2个有益效果：一是水平板使推运土壤以作业深度为平面提前上下分层；二是水平板与平面铲刀形成的夹角空间里人为制造了一个楔形滞留区，一定程度上改善了土壤的流动过程。从上述分析可以得知，加装水平板可以改善工作阻力，但可以判断的是，水平板并非在任意作业倾角下都会产生有益效果，因此，有必要进一步研究不同作业倾角下水平板对工作阻力的有益影响范围，并分析不同土壤条件下水平板长度变化对工作阻力的影响。

2 试验过程

2.1 土壤条件

选择砂土和级配土为作业介质开展试验研究。砂土配置2种物理特性：一种为自然状态下阴干的干砂土；另一种为干砂土加水后，含水达到4.0%左右的湿砂土。级配土由50%河砂、20%旱砂和30%黄土构成，平均含水量在5.5%左右。干砂土粒径大于0.5 mm的砂土颗粒约占砂土总质量的70%，其平均密度约1.52 g/cm3，湿砂土平均密度约1.55 g/cm3，级配土平均密度约1.62 g/cm3，3种作业介质的物理特性见表1。

表1 土壤物理特性

文献[18]指出土壤黏聚力随密度增大而增大，且干密度从1.4～1.7 g/cm3黏聚力明显增大。当法向压力为0时，抗剪强度等于黏聚力。因此，土壤的抗剪强度随密度增大而增大，2种作业介质在3种土壤条件下抗剪强度的大小关系为：干砂土最小，级配土最大，湿砂土介于二者之间。

对干砂土进行推运试验时，在试验完成后，直接回填、平整并进行人工压实，每次试验前进行密度测试。湿砂土与级配土在推运试验前，需要进行洒水和翻土作业，然后平整压实，并进行密度测试，完成推运试验后，重复前述过程，保证土壤密度和含水量在控制在合理范围内。

2.2 试验装置

试验采用自行研制的拉拽式土壤推运装置，如图2所示。2个试验装置结构相同和工作原理相同，试验装置由刚性框架、铲刀车架、牵引装置、拉力传感器和数据采集系统5部分组成。刚性框架的宽度和高度一样，分别为宽1.2 m和高0.24 m，其主要区别是刚性框架的长度不同，砂土推运试验装置长6.0 m，级配土试验装置的长4.0 m。采用电葫芦为动力源，通过钢丝绳的卷扬运动，以拉拽方式牵引车架沿导轨前进，从而使车架上的铲刀对土壤进行推运作业，钢丝绳和车架拉环处安装了拉力传感器进行工作阻力数据采集，并通过Dewesoft应力应变仪对数据记录和处理。

2.3 铲刀结构

开展推运试验的铲刀结构有2类：一类是平面铲刀，另一类是有水平板的平面铲刀，该铲刀根据结构形式，以下均称为L型铲刀。所有铲刀宽度均为300 mm，铲刀高度(纵向长度)为500 mm。在2种作业倾角90°和60°下开展推运试验，根据该试验方案，共设计了3组铲刀结构，如图3所示。

(a) 砂土试验装置；(b) 级配土试验装置

其中图3(a)是作业倾角为90°时的铲刀结构，该组铲刀在3种土壤条件下开展推运试验；图3(b)是作业倾角为60°的铲刀结构，该组铲刀在干砂土和湿砂土中开展推运试验；图3(c)亦是作业倾角为60°的铲刀结构，该组铲刀是对平面铲刀进行了折弯后得到的，折弯处距刃缘水平面的纵向高度为200 mm，这是由于级配土抗剪强度相对较大，为保证铲刀的强度而采用了这样的设计方案，该组铲刀仅在级配土中开展推运试验。

所设计的3组铲刀结构，可以分为2类：一类是平面铲刀(无水平板的铲刀)，即图3(a)，3(b)和3(c)所示左侧铲刀；另一类是L型铲刀(有水平板的铲刀)，即图3(a)，3(b)和3(c)所示右侧铲刀。为了以水平板长度为条件开展对比研究，将平面铲刀的水平板长度视为0(=0)。然后，L型铲刀选择了水平板长度为30 mm和60 mm的2种结构，加上平面铲刀(水平板长度=0)，可以视为共有3种不同水平板长度的铲刀在作业介质中开展土壤推运作业，也就是铲刀结构的水平板长度=0，=30 mm和=60 mm的3种情况。

针对砂土和级配土确定的3种土壤条件，全部铲刀结构均在作业深度90 mm下开展土壤推运试验，所有试验的土壤推运速度恒定，均为0.12 m/s。由于试验装置结构的原因，针对干砂土和湿砂土的有效推运位移在4 m左右，而针对级配土的有效推运位移在2 m左右。

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

3 试验结果

针对3种土壤条件和2种作业倾角确定的6种作业工况，3种铲刀共完成土壤推运试验18次。将相同土壤条件和相同作业倾角下3种铲刀的推运试验结果视为一组，并把土壤推运工作阻力变化曲线绘制在一个坐标系中，得到6组工作阻力对比曲线，如图4所示(图中横坐标为位移，纵坐标为工作阻力)。图4(a)和图4(b)，图4(c)和图4(d)，图4(e)和图4(f)分别为3种铲刀对干砂土、湿砂土、级配土在90°和60° 2种作业倾角下推运工作阻力的变化曲线。

从试验结果可以看出，由于试验装置刚性框架长度不同，针对级配土推运试验的位移相对偏小，但推运作业过程都经历了工作阻力随位移逐渐增加和工作阻力基本稳定2个阶段。而针对干砂土和湿砂土的推运试验，工作阻力随位移逐渐增加和基本稳定2个阶段非常明显。其中，针对干砂土的6次推运试验中，有2次推运试验的位移小于4 m，但大于3.5 m(作业倾角90°下水平板长度=0 mm和=30 mm时对干砂土的推运试验)，其余4次试验的推运位移均大于4 m；针对湿砂土的6次试验的推运位移均超过4 m；针对级配土的6次推运试验中，有1次试验的推运位移略小于2 m(作业倾角60°时，=30 mm的作业条件下)，还有1次试验的推运位移约1.75 m(作业倾角60°时，=60 mm的作业条件下)，其余4次试验的推运位移均大于2.2 m。

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

4 结果分析与讨论

为了开展对比研究，需要计算平均工作阻力。针对干砂土和湿砂土的推运试验，其平均工作阻力取位移2.0 m到4.0 m之间的工作阻力的平均值；其中2次位移在3.5 m至4.0 m之间的推运试验，其平均工作阻力取位移2.0 m到3.5 m之间的工作阻力的平均值。针对级配土的推运试验，其平均工作阻力取位移1.5 m到2.2 m之间的工作阻力的平均值，其余2次推运位移小于2 m的推运试验，其平均阻力为位移1.0 m到位移终点之间的工作阻力的平均值。首先，对作业倾角为90°时，不同土壤条件下平均工作阻力随水平板长度的变化规律进行对比，以水平板长度为横坐标，以平均工作阻力为总坐标，绘制平均工作阻力在不同作业倾角下随水平板长度变化的曲线。在3种土壤条件下，作业倾角为90°时平均工作阻力随水平板长度的变化规律如图5所示。以平面铲刀对3种土壤推运的工作阻力为基础值，将L型铲刀的工作阻力值进行对比，其工作阻力减小百分比见图6。

图5 作业倾角90°时平均工作阻力随水平板长度变化规律

图6 作业倾角90°时平均工作阻力减小百分比

从图5和图6可以看出：针对干砂土的推运作业，3种铲刀的推运平均工作阻力比较接近，且水平板为30 mm和60 mm的L型铲刀分别使工作阻力减少了0.4%和6.9%，因此，水平板长度对干砂土推运平均工作阻力的影响不大；针对湿砂土的推运作业，平均工作阻力随水平板长度增加呈现“先减后增”的变化规律，也就是水平板长度为30 mm的铲刀对平均工作阻力的改善最为明显，且水平板为30 mm和60 mm的L型铲刀分别使工作阻力减少了13.6%和5.8%，因此，L型铲刀对湿砂土的推运作业具有一定影响；L型铲刀对级配土进行推运作业时，平均工作阻力随水平板长度的增加而减小，且水平板为30 mm和60 mm的L型铲刀分别使工作阻力减少了32.5%和37.2%，这表明L型铲刀在该土壤条件下可有效改善平均工作阻力，且水平板长度大的铲刀改善效果更佳。

在3种土壤条件下，作业倾角为60°时平均工作阻力随水平板长度的变化规律如图7所示，其工作阻力减少百分比如图8所示。

图7 作业倾角60°时平均工作阻力随水平板长度变化规律

图8 作业倾角60°时平均工作阻力减小百分比

从图7和图8可以看出：铲刀对干砂土推运作业时，平均工作阻力随水平板长度的增加而增加，且水平板为30 mm和60 mm的L型铲刀分别使工作阻力增加了21.0%和43.8%，这表明给L型铲刀对干砂土推运作业会产生不利影响；针对湿砂土的推运作业，L型铲刀对湿砂土推运的平均工作阻力基本一致，且水平板为30 mm和60 mm的L型铲刀分别使工作阻力增加了0.5%和0.9%，因此，水平板没有起到改善工作阻力的作用；针对级配土的推运作业时，平均工作阻力随水平板长度的变化规律为“先减后增”，水平板为30 mm和60 mm的L型铲刀分别使工作阻力减少了25.3%和1.5%，即在60°作业倾角下， L型铲刀仍可在一定程度上改善工作阻力。

从上述变化规律可以看出，平均工作阻力随水平板长度的变化在3种土壤条件下存在显著区别，主要体现在L型铲刀对3种土壤推运工作阻力的改善效果上。对干砂土推运作业的影响程度：当作业倾角为90°时，影响很小，当作业倾角为60°时，存在不利影响；对湿砂土推运作业的影响程度：当作业倾角为90°时，存在一定有益影响，或当作业倾角为60°时，影响很小；对级配土推运作业的影响程度：当作业倾角为90°时，具有显著影响，或当作业倾角为60°时，存在一定有益影响。根据3种土壤的抗剪强度的大小关系，水平板对抗剪强度较大的土壤影响效果更为有益。其影响程度见表2。

表2 L型铲刀对不同土壤条件工作阻力改善的影响

对L型铲刀在3种土壤条件下进行综合比较可以发现：当作业倾角为90°时， L型铲刀在3种土壤条件下均在一定程度上改善了推运作业的平均工作阻力，L型铲刀结构对3种土壤的推运过程均会产生有益影响；当作业倾角为60°时，L型铲刀针对级配土的推运作业仍具有一定有益影响，但对干砂土和湿砂土的推运作业导致工作阻力不降反增，且对干砂土推运作业产生显著不利影响；这表明水平板对推运作业的有益影响随着土壤抗剪强度的减小而显著弱化，即土壤抗剪强度小时，水平板对工作阻力的有益影响程度和影响范围较小，土壤抗剪强度较大时，水平板对工作阻力的改善效果较为明显，而且还可以看出水平板对抗剪强度较大土壤的有益影响范围也相对较大。因此，水平板的有益影响效果随着抗剪强度的增加而更为显著。从这一规律可以进一步推断，当土壤的抗剪强度更大时，这种有益影响程度将更为突出。因此，针对抗剪强度比较大的土壤，采用L型铲刀进行推运作业可以有效实现改善工作阻力的目的。

同时，从变化规律还可以看出：水平板在作业倾角较大时对工作阻力的改善较为明显，当作业倾角较小时，水平板对抗剪强度较小的干砂土和湿砂土会产生不利影响。这是由于干砂土和湿砂土的流动性相对较好，当作业倾角较小时，水平板的存在不能有效产生“死区”效益，反而会增加铲刀与土壤的接触面积。这里可以作一个极端假设予以说明，如果平面铲刀以作业倾角为0对土壤进行重剪切作业，这时水平板的存在必将导致工作阻力的增加。此外，水平板长度不同时，对工作阻力的影响也存在差异，以级配土为例，当作业倾角为60°时，水平板长度为30 mm的L型铲刀对工作阻力改善最为明显，因此，水平板长度在不同作业条件下存在一个最优值。

为了考虑不同因素的综合影响，采用和单因素分析相似的方法，将水平板长度和土壤密度视为变量，在三维坐标系中得到不同作业倾角下水平板长度和土壤密度对工作阻力的影响(见图9)。其中，图9(a)为作业倾角90°时工作阻力与水平板长度和土壤密度的关系曲面，图中，点，点和点分别为3种土壤条件下不同铲刀结构推运作业的平均工作阻力最小值，将3点相连，可得一条空间折线，该空间折线在水平板长度和土壤密度的投影线为点，点和点的连线，该投影线可视为作业倾角90°时不同土壤密度下，L型铲刀的水平板长度最优匹配曲线。同理，图9(b)所示的由点，点和点相连的投影线为作业倾角60°时不同土壤密度条件下，L型铲刀的水平板长度最优匹配曲线。因此，在不同土壤条件下，可以根据最优匹配曲线选择合理的L型铲刀结构。

(a) α=90°；(b) α=60°

5 结论

1) 土壤条件是L型铲刀在推运作业过程中能否有效改善工作阻力的前提，对抗剪强度较大的土壤，L型铲刀对推运工作阻力的改善效果比较显著，对抗剪强度小的土壤，L型铲刀对推运工作阻力的有益影响程度和影响范围较小，因此，针对抗剪强度较大的土壤采用L型铲刀更有利于推运作业。

2) 针对试验确定的3种土壤条件，L型铲刀对推运工作阻力的改善效果还与铲刀的作业倾角关系密切，在一定作业深度下，当作业倾角较大时，工作阻力改善较为显著，当作业倾角较小时，有益影响效果减弱或将产生不利影响。

3) L型铲刀的水平板长度变化对土壤推运工作阻力的影响程度也存在明显差异，工作阻力随水平板长度增加呈现“逐渐减小、先减后增和逐渐增加”3种变化规律，因此，水平板长度在确定土壤条件和给定作业倾角下存在一个最优值使工作阻力达到最小。

4) 土壤条件不同时，在一定作业倾角下，可以根据土壤条件与水平板长度之间相互最优匹配关系，对铲刀结构进行设计。

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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

陕西省自然科学基础研究计划(2019JM-295)；道路施工技术与装备教育部重点实验室(长安大学)开放基金资助项目(300102258502)

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

(编辑 蒋学东)