平移式工作装置与介质相互作用理论

1、第15章平移式工作装置与作业介质相互作用理论 15.1土壤的切削理论 平移式工作装置的大部分能量消耗在切削和铲挖土壤上。所以，对平移式工作装置与土的相互作用进行研究，找出其规律性，来降低铲挖土时的能耗，可以在对机器总体结构无需做重大改变的情况下，提高机器的生产效能。 15.1.1 土方机械的工作部件 (1)对工作部件的一般要求 工作部件的功能是分离土壤(土块或土屑)，随后攫取、堆集、装载和推移被分离下来的土壤。土方机械工作部件的形式示于图15-1中。 图15-1 土方机械工作部件(a)齿；(b)平面刀片；(c)带齿平面刀片；(d)圆盘刀片；(e)铲刀；(f)铲运斗 对工作部件的基本要求为：适应

2、所铲挖土壤的条件和土方工程的工艺要求；保证铲挖过程有较低的能量消耗和较高的生产效能；保证结构的强度和可靠性；保证切削表面有足够的耐磨性；保证制造、安装、拆卸、修理的简便。(2)工作部件的基本参数1)几何参数。工作部件的切削元件一般采用楔形的切削刃，它用以下几何参数表征(图15-2): 切削角,尖劈角,后角,前角。其中切削角。切削刃可具有不同的形状，如整体形(如刀片)和间隔形(如齿)，直线形和曲线形等。它们的形状和参数对切削力的数值和能量的消耗都有影响。2)工况参数。在切削时，切削刃通常做两个方向的运动。一个是沿着工作面的运动，它起着分离土屑的作用；另一个是切入工作面的运动,它改变土屑的厚度。因

3、此,反映切削过程工况的主要参数有切削深度、切削宽度和切削速度，参数、称为土壤切削工况参数。 切削深度、切削宽度和切削角(切削刃口的锋利或磨钝)对切削过程、切削力的大小有着很大的影响。切削刃口磨钝后，由于磨损面对土的挤压作用和磨损面与土间的摩擦力，会使切削阻力增加60%100%。 图15-2切削元件的几何参数和工况参数 15.1.2 工作部件的分类及其与土壤相互作用的方式对于不同的土方工程和土壤条件，土方机械采用多种型式的工作部件，它们可按下列特征进行分类：用途(用于主体、修整或准备工程)；复杂性(简单的或组合的)；型式(刀型、铲壁型、斗型、螺旋型)；切削元件断面形状(矩形、曲线形)；与土壤相互

4、作用的方式(基土自由表面的数量)；运行轨迹(直线的、曲线的)；作用原理(静载的、冲击的、振动的、复合的)；负荷随机过程的形式(平稳的、非平稳的)。根据工作部件与土相互作用过程中，土屑从工作面分离时，其侧面是否与基土存在着联系，切削方式(即工作部件与土的相互作用方式)可以分为自由切削、半自由切削和约束切削三种方式(见图15-3)。(a)自由切削 (b)半自由切削 (c) 约束切削图15-3 不同切削方式示意图 在确定铲挖土过程中的能量消耗以及切削阻力各分力的数值与变化时，必须考虑到工作部件与土相互作用的方式。用矩形断面切削时，具有一个自由面基土的切削阻力与具有三个自由面的切削阻力之比接近于2.0

5、。在约束切削中，由于土屑侧面与基土间存在着联系，所以在土屑形成的过程中要克服其侧面与基土间的阻力，显然会消耗一部分能量，因而增大了切削阻力。考虑工作部件与土壤相互作用的方式，无论对于分析土方机械的工作，还是设计新的机械都是重要的。 工作部件与土相互作用时的运行轨迹也是一个重要的分类特征。主要的土方机械工作部件是沿着直线或曲线轨迹运行的。由于土的强度的不均匀性、地形的变化、机器的运动学等特点，工作部件的真实运行轨迹与理论上的有所偏离。在铲挖过程中，切削角或其它切削参数都会发生变化，这将显著影响各切削力的数值和切削过程的能量损耗。对于带状土屑，切削阻力的波动较小；对于块状土屑，则波动较大。通常所谓

6、的切削力，实际上是指土屑形成过程中的平均切削阻力，简称切削阻力。15.1.3 工作部件发展的简要分析通过对土方机械发展情况的分析表明，工作部件的发展趋势是：增大工作部件的尺寸和容量，并相应提高机器的功率；根据与土相互作用的特点将其划分为完成不同功能的单元体和组件；采用强化的铲掘、输送和卸土装置以及新的破坏土的物理方法。图15-4表示铲刀铲斗型工作部件的发展情况。中间的一列(18)表示铲运机铲斗的发展过程，两侧的几列为基本系列各分支的发展情况。 图15-4铲土运输机械工作部件发展示意图图15-4中，1为早期最简单的工作部件平面铲刀。2为带有刀片和曲线形工作表面的铲刀，它已考虑到土屑上升的过程。3

7、为带有侧挡板的铲刀，它可阻止积土堆的流失，提高生产效益。4为安装了斗底，具有一定的几何容积的铲斗，它已从推移铲刀前土堆过渡到先进的在铲斗内运移土的方法。5为装上活动前斗门的铲斗，它改善了铲斗装土过程，可避免在运移过程中土的流失。6为后斗壁可以移动的铲斗，它改善了低效的转动铲斗的自由式卸土方式，而过渡到推移式的强制性卸土。7为在铲斗上安装了强制式装土机构的铲斗，其主要形式为刮板式输送器，刀片系统仅完成切土作用。这种铲斗目前获得较为广泛的发展。8为铲斗发展的前景。除有强制的装土、卸土机构外，还有强制式的切土刀片，以进一步降低所需的牵引力，提高工作效能。原始铲刀2的一个发展方向是带可控制刀片(上下可

8、移动)的铲刀9；下一步是以带爆破装置的铲刀10，作为主动作用式工作装置的一种形式。铲刀2发展的另一种型式是铲刀11，其特征是可以回转，选用斜切原理工作。再下一步的发展目标是铲刀12，它安置了一个装置，用来提高铲刀的侧移能力。带侧挡板的铲刀3的一个发展方向是向效率更高的组合式铲刀13(其结构特点是铲刀由三节组成，侧面的两节斜置)发展，再进一步完善是使中间一节可上下移动(铲刀14)。铲刀3的另一个发展方向是万能式双节铲刀15(铲刀上装有驱动机构，可保证铲刀的两节在水平面内能相对转动)。铲斗4的发展是装上斗齿(铲斗17)或装上曲线形切削刀片(铲斗16)，以提高铲斗切入能力。再进一步发展是使其斗齿主动

9、化(铲斗18)。上述简图概括了土方机械的一些部件从简单的金属构件发展到具有不同功能装置的复杂机械系统的过程。较完善的工作部件能提高工效，减少能耗；另外，采用主动式工作装置，可直接在较硬的土上工作，有助于扩大机器的使用范围。虽然，目前工作部件的发展仍继续沿着对土进行机械加工方法(切削、振动、冲击以及它们的组合)的方向进行，但可以预料，一些新的土壤加工方法将会得到实际应用。例如，利用热能和辐射能来加工土壤，便已被钻探岩石和加工其它材料所证实是行之有效的新方法。 15.1.4 土的可切削性指标(1)切削比阻力切削比阻力除了与土的机械组成、含水量、密实度有关外，还跟土中硬杂质的成分、密度以及土的静结构

10、联接有直接关系。对于自然结构的均质土(不含有石块及其它硬夹杂物)，其比阻力是有规律可循的。据理论研究与实验分析可以知道，对切削比阻力有重大影响的几个主要因素依次是：土的负温(零度以下)、含水量、含盐量、粘粒含量。土的剪切强度随土体的负温呈指数上升；土的剪切强度随含水量呈双曲线下降。土体温度使土的比切削阻力发生剧烈的变化，因而对土的可切削性也产生重大影响。可以利用冻结温度的变化预测土的可切削性变化趋势，也可以利用冻土的热物理特性来改进冻土的切削。当含盐量占干土重量的3%以上时，盐的种类与含量就成为土体物理力学性质的决定因素。它往往使切削比阻力成倍增长。在土的组成微粒中，粘粒的含量对切削比阻力起决

11、定性作用。在同等含水量的情况下，土的切削比阻力随粘粒含量的增加成线性上升。以上就是均质土的切削比阻力的基本变化规律。对于非均质土，一般随着硬质成分的含量及其直径的增加，比阻力有所增加。(2)粘附性粘附对切削作业的影响，主要表现在以下三个方面：1)因粘附而引起的粘着摩擦，严重影响土体沿刃面的滑移，使得土体沿着土土界面流动，不但大大增加了摩擦消耗功，而且改变了切土元件的合理几何形状，大大缩小了斗型作业元件的有效容积，使得作业阻力增加，循环作业量变小，生产率下降。2)严重影响卸斗。卸斗困难是经常见到的现象，尤其在软塑以下的重粘土中作业困难更大，严重影响挖掘作业。3)粘附性严重影响作业速度，增大粘滞消

12、耗。在切削过程中的压、剪、拉应力作用下，土分别以相应的大应变来衰减应力场作用区，以形变来吸收作业能量，迟缓作业速度。粘附力的大小与土体中粘粒(粒径小于0.002mm)含量成正比，也与可溶性的盐含量有极大关系，盐离子和的参与使粘附力大幅度增加。适量的含水量是粘附力产生的首要条件。粘附的机理尽管很复杂，但总是以适量的水作为中介，使得土与金属表面接触面积增大。在胶粒的电化学力作用同时，还有界面间的毛细作用和真空吸附参与作用。判断粘附性强弱的尺度为外附力。(3)摩擦磨损性摩擦是切削过程中不可避免的现象，也是切削阻力的一个重要组成部分，据不完全统计与推算，土方工程机械在作业中土壤所受到的摩擦阻力占总切削

13、阻力的比例可达到，它是影响铲刀脱土、铲斗装斗的主要原因。摩擦所引起的磨损，是一个不可忽视的问题，在某些场合下它往往成为可切削性的决定因素之一。通常的土壤所引起的刀具磨耗可以忽略，但随着土体硬度的加强及土体中硬质成分含量的增多，机具磨损量就会迅速增大。如重砂土、含石块的干粘土、泥灰石、爆破不良的铁矿石、冻土等，对于高速作业的工程机械无疑是一个巨大的“砂轮”。例如，对于在冻土上连续作业的斗轮或链斗式挖掘机，若用一般硬质合金作斗齿，挖掘沟渠，斗齿就磨损得不能用了。在某些情况下，比如开挖重砂质冻土，在开挖后，斗轮的全套斗齿就必须更换，若采用在耐磨合金上堆焊切削刃部的斗齿，其寿命也只能达到，挖掘沟长也只

14、有左右。再如国内外生产的路面铣刨机械，在滚铣沥青石子路面时，那些用特种合金并经表面特殊处理的冲击头(铣齿)，也只能铣削，而后便不得不因磨损严重而全套更换。摩擦磨损所带来的不利影响，一是使切削阻力成倍增长，对于那些磨钝很严重的刃(齿)则无法入土，阻力剧增，往往使作业机械无法承受；二是影响作业速度与进程。阻力增大必然导致作业效率降低。更换修复刃(齿)必然造成时间上的浪费。三是给维修保障造成很大压力。更换和修复切削工具的费用很大(占机械总维修费的)，且在某些使用条件下，切削工具修复较为困难。由此可见，摩擦磨损性确实是衡量土的可切削性的一个重要指标，在某些场合则是决定性指标。摩擦磨损的程度与土壤硬度、

15、强度及硬质成分含量成正比，当然也和切削工具与土之间的正压力及相对速度有很大关系，因而从这几个方面入手，可预测和改进土的可切削性。摩擦磨损性可以用磨耗率或给定条件下作业时间和距离来表示。(4)入土性入土是切削的首要条件，没有入土，也就谈不上后续的切削过程，这一问题对于斗型切削作业尤为明显。入土与切削有所不同，切削过程主要依赖切削工具推压土体而产生剪切破坏；入土则是依靠切削工具直接贯入并挤压(压实)土体。当土体的压实强度较大，甚至夹有石块、树根等杂物时，入土就非常困难，况且土的压实强度比剪切强度大得多(冻土达)这就决定了入土在切削作业全过程中，有其特殊地位。它也是衡量切削作业难易的重要方面。在下列

16、场合，入土尤为困难：1)干硬的粘土、板黄土或布满白色盐碱皮的盐碱土，因其表面非常坚硬，在这些土上作业，只能一点一点地啃。2)夹有石块、风化不良的页岩、铁矿石、树根等杂质的土，是很难作业的，而且斗齿磨损严重，甚至崩齿。3)对冻土切削，入土难是一个令人头痛的问题。对于冻土入土性问题，早在50年代就有人做了大量试验，其中之一就是冻土的冲击贯穿试验。在的冲击能(最大冲击力上千公斤)作用下，只能入土深，且越到深处越困难，12次冲击累计只能入土深左右。入土性问题反映了土的可切削性的一个重要方面，对于匀质土(如冻土、板黄土等)可以用土的硬度、强度来衡量；对于含石土等，应从硬质物的直径及其体积含量予以综合考虑

17、。15.1.5 改进土壤可切削性的途径研究土的可切削性的根本目的在于评价、预测并有指导地改进土的可切削性。土的切削过程，实质上是“土壤机械”系统的相互作用过程。改进土的可切削性要从机械本身、土壤本身以及两者之间相互作用的规律出发，才能找到有效的途径。(1)从机械本身考虑从机械本身出发(如选用合适的作业功率、作业速度与工作装置等)，另外寻求高强度耐磨材料以及防粘附材料或涂层也是很好的途径。目前除选用特种合金材料外，还在刀具上渗入、等元素，采取特种表面处理(如堆焊等)，可大大降低摩擦磨损性。(2)从土壤的物理力学性质入手从土壤本身出发，即利用土的物理力学特性对可切削性的影响规律来改变土体，改善切削

18、。比如，利用水对土的结构强度和粘附性的影响来改变土体，效果就很明显。风干泥泞路面降低其粘附性，水解砂质板土及板盐土降低其切削比阻力和磨耗性就是例子。人们常利用冻土的特殊热效应进行作业，如火钻、热切削。将冻土加热，并盖上保温材料(如矿渣、锯屑、矿渣棉、草灰、液体泡沫塑料等),则可明显地降低土的切削比阻力,提高入土性，减少磨耗率。(3)从切削工具与土体的相互作用过程入手1)力学过程。利用聚能、冲击作业对付高切削比阻力的土很奏效。以斗齿代替刃口,以松土耙代替挖斗，以振动代替静力，都是聚能释放或提高单位切削力的有效手段。以滚齿代替长齿(松土耙)则又进了一步。聚能切削可以降低作业阻力以上。2)物理化学过

19、程。比如粘附，总是与接触面积、粘粒(胶胞)电吸附、毛细作用、真空吸附有关，且离不开极性水作中介。据此，可采取多种途径降低粘附力。首先是对付水，采用厌水材料及人为造成局部过量水使土成局部流态都可降低粘附力。振动可使界面液化并自润滑，向界面喷(灌入)水亦可润滑，沾水的锹不粘土就是这道理。其次是对付静电，如电渗法润滑效果不错，用气垫来减少接触面积，让斗底通气防真空吸附也能减小粘附性。3)运动方式。切削工具在土中的运动可以是刚性的，也可以是柔性的。其施力方向可以是单向的，也可以是双向的，效果大不一样。柔性支撑的振动松土器，在夹石、爆破不良和有树根的土上作业，其入土性能和切削性能都远远优于其它刚性的静力

20、机械。用抓斗对付上述土壤，就比简单的装卸斗有效得多。将土体主动流入土斗(在土斗运动过程中)变为被动地扒入土斗，以及靠自重卸斗变为强行推土出斗等措施，用于对付粘性强的土，则会有效得多。4)新型切削方式的出现与应用，将会使土的可切削性向前大大推进一步。如爆破式机械切削，高压水射流切削，静压膨胀辅助切削，电(强弧)、光碰、热能切削，将现在的土壤切削从刀具切削中解脱出来而进入一个新的领域，并赋予土的可切削性以更新的意义。 15.2 挖掘机与作业介质相互作用理论15.2.1挖掘过程中的挖掘阻力挖掘机的挖掘过程是提升机构与推压机构共同作用完成的。挖掘机在工作过程中既要克服物料作用于斗齿上的挖掘阻力，又要使

21、斗齿尖沿一定的挖掘轨迹运动，从而把土壤分离出工作面，铲入并装满铲斗。如图155所示，当铲斗挖掘物料时，将产生以下工作阻力：液压缸的内部阻力()；各机构的内部阻力()；铲斗的外底面与地面之间的摩擦阻力()；铲斗的外侧面与地面之间 图155 挖掘过程中受到的阻力的摩擦阻力()；铲斗内土壤与铲斗底面之间的摩擦阻力()；铲斗内土壤与铲斗侧面之间的摩擦阻力()；土壤的内部摩擦力()；土壤的压入阻力()；土壤的挖掘阻力()。 由于挖掘过程的复杂性，对挖掘阻力直接分析非常困难，除了机械本身的问题外，由于土壤的材料属性是非均质各向异性的，所以瞬时阻力变化具有很大的随机性。其中阻力、的单独测定非常困难。为了方便

22、起见，用阻力之和表示、的阻力，作为切向阻力，把土壤的压入阻力作为法向阻力。15.2.2 影响挖掘阻力的因素 现有的挖掘机理论认为，挖掘阻力是挖掘机设计计算的主要依据，而挖掘阻力是一个综合概念，它是多方面阻力的综合。影响挖掘阻力的因素很多，概括为挖掘方式的影响、挖掘轨迹的影响、挖掘深度的影响和切削速度、切削角的影响等等。 (1)挖掘方式 挖掘阻力的大小与挖掘方式密切相关，有必要根据不同的土壤状况，采取最好的挖掘方式。目前挖掘方式主要分为以下几类: 1）底取式挖掘:指铲斗从物料与地表接触部位斜插入，沿料堆向上挖掘的挖掘方式。底取式挖掘又可以分为曲线式和直线式的挖掘方式。曲线式挖掘指挖掘轨迹为曲线，

23、可近似用等角对数螺旋线描述。开始挖掘时，铲斗沿倾斜方向插入料堆后，推压与提升机构复合动作，开始曲线挖掘，然后提升铲斗出料堆，铲斗被装满。直线式挖掘指挖掘轨迹基本上平行于物料表面。 2）直插式挖掘:直插式挖掘的工作对象主要是松散的物料堆积成的矿堆或经过爆破后的矿石。挖掘时，铲斗靠惯性力插入料堆，一般达到插入阻力与机器的附着阻力相平衡为止。这种方式工作阻力大，掘起力矩大。 3）上取式挖掘:上取式挖掘是通过耙取机构将物料由上至下耙到下部的接收器，其阻力主要由耙取机构的插入阻力组成。这种挖掘阻力比较小，因为物料的重力有利于物料下落，有利于提高装满系数。 4）振动式挖掘:切削土壤时，使切削元件受到振动(

24、振动方向与切削方向一致)，可以降低切削阻力。 5）混合式挖掘:将底取式与上取式结合起来，实现混合式挖掘。混合式挖掘阻力小，装满系数较高。 (2)挖掘轨迹 挖掘轨迹指斗齿尖端在挖掘过程中运行所形成的迹线。挖掘轨迹是挖掘过程中一个非常重要的参数，对挖掘阻力影响很大。通过对美国P&H2300型挖掘机的挖掘轨迹进行拟合处理，研究人员得到挖掘轨迹的拟合曲线方程为: （151） 式中 轨迹曲线的矢径； 轨迹曲线的极角。(3)挖掘深度通过对砂质土和粘性土的实测研究表明，挖掘阻力与挖掘深度的关系非常密切。随着挖掘深度的增加，挖掘阻力的切向分力也会增加，其增加的趋势为:1）在砂质土中是抛物线，即在砂质土

25、中挖掘阻力与挖掘深度的平方成正比。2）在粘性土中，挖掘阻力与挖掘深度成直线关系，尤其是在达到最大挖掘深度前后这种线性关系更为明显。3）挖掘阻力的方向及着力点的位置与挖掘深度也有密切关系。 15.2.3 挖掘阻力的计算目前计算挖掘阻力的方法很多，下面是一些常见的挖掘阻力的计算公式。（1）费多罗夫挖掘阻力公式前苏联学者费多罗夫提出了以下的挖掘阻力计算公式 （152） 式中 F挖掘阻力；挖掘阻力系数； B铲斗切削宽度； C切削厚度，；铲斗名义容量； H挖掘高度（即和挖掘方向一致的挖掘深度）。公式（15-2）简单，考虑因素较少。为了考虑一些必要因素的影响，研究人员改进了这一方法，建立如下的数学模型:

26、（153） （154）式中 挖掘阻力系数； 切向阻力； 法向阻力； C切削厚度； V切削速度； 切削角； B切削宽度； 曲线拟合系数。 改进后的公式考虑了切削厚度、切削速度、切削角的影响，通过挖掘机试验台进行试验可以确定曲线拟合系数的值。最后，根据试验数据，对数学模型进行回归分析，并根据相似原理，可以求得原型挖掘机的挖掘阻力。 （2）基于土质特性的挖掘阻力计算公式 为了得到工程中适用方法，有必要简化力学模型，在计算挖掘阻力时可以进行以下假设:开挖部分的土对铲斗产生被动土压力；粘性土和铲斗之间存在着粘结力A；可以采用朗肯被动土压力公式。朗肯被动土压力Pp的计算表达式为: （155）式中 按朗肯土

27、压力理论计算的被动土压力数，； 土体容重()； c土壤内聚力(): 铲斗的入土深度(m)；铲斗宽度(m)； q地面松土的压力 ()； 土壤内摩擦角()。 Reece给出了粘结力A的表达式: （156）式中 土体粘性系数，通常取c/2； 铲刀入土时的斜角。 这样，挖掘过程中所受到的挖掘阻力T则等于朗肯被动土压力及粘结力A的向量和，即 （157）（3）以挖掘轨迹为基础的挖掘阻力计算研究人员在实验室条件下，参考WS-005挖掘机试验台的试验结果，通过微机对挖掘轨迹进行自动控制，对挖掘过程进行挖掘测试，并进行了高精度的挖掘阻力回归分析，提出了以挖掘轨迹为基础对挖掘阻力进行分析的方法。根据相似原理进行相

28、似转化，得到与模型具有相似的原型状态下挖掘阻力的计算公式: （158）式中 F挖掘阻力； 斗容量； C切削厚度。15.3 装载机与作业介质相互作用理论装载机是一种在履带式拖拉机或轮式基础车上装有一个装载斗的循环作业式机械，可用来装载土、砂、碎石等松散材料，也可用作短距离运输，是一种工作效率较高的铲装土运输机械，兼有推土机和挖掘机两者的工作能力。其优点是适应性强，作业效率高，操纵简便。15.3.1 装载机铲斗插入阻力分析铲斗插入料堆过程中，受力情况十分复杂，受到料堆高度、物料块度及松散度、斗型、斗底与水平面的倾角等诸多因素影响。通过实验可以得到，铲斗插入料堆时，铲斗及斗尖、斗底，斗侧壁等的切向分

29、力T、法向分力N及合力R，随着铲斗宽度和插入料堆深度变化的规律如图15-6所示。图中曲线1是铲斗整体阻力，曲线2是无侧壁铲斗的阻力，曲线3是斗底(不含斗尖)的阻力。图15-6 无侧壁铲斗的阻力 显然，曲线1和曲线2的纵坐标差是斗侧壁所产生的阻力，曲线2和曲线3的纵坐标差是斗尖所引起的阻力。不同粒径物料时的T, N, R实验曲线不同。切向分力一般大于法向分力。切向分力中，斗尖切向分力大于斗底切向分力；法向分力中，斗底法向分力大于斗尖和侧壁法向分力。就合力而言，斗尖和斗底的合力占主要部分。如果单位宽度上的切向力和法向力分别用t、 n表示，对于大块度物料(0.22d/B0.55，d为物料粒径，B为铲

30、斗宽度)，由试验数据整理得t、n的变化关系表示如下(单位:N/cm)： （159） （1510）式中 斗底长度(cm)；铲斗插入料堆深度(cm)；模型与实物的长度比例系数；实物矿堆高(cm)。以上关系式是以阻力和插入深度等存在确定函数关系为前提的。而当块度较大时，阻力是随机的，应按统计规律来进行描述。通过大量实验，发现插入阻力的统计分布近似于正态分布，可按可信度确定插入阻力的计算公式。如可信度为0.9时，无侧壁铲斗的阻力P计算公式为(单位:N)： （1511）式中 铲斗插入物料部分的深度,cm； B铲斗宽度,cm； K阻力系数，和物料类型、块度、松散程度、斗形、斗齿间隔等有关。15.3.2 降

31、低密实核阻力的方法（1）密实核理论大量实验发现，插入铲取时，由于料堆和铲斗的相互作用，料堆受到挤压，在料堆中斗尖前方情况尤为严重，形成一段压实的区域，称为密实核，如图15-7所示。图15-7 密实核示意图通过观察铲取过程和铲取时料堆颗粒运动轨迹可知，铲取时作曲线运动的斗尖使其附近矿石颗粒有连续挤入矿堆的运动和相对料堆向上的切削运动。挤入运动导致密实核形成，同时出现滑移面。其与密实核平行，而和水平面成某一变化的角。切削运动导致形成通过斗尖的新切削滑移面，其方位亦是变化的。如图15-8所示。图15-8插入过程示意图（2）降低密实核阻力的思路由式1511可知，插入深度与插入阻力P存在一定函数关系，所

32、以密实核长度与铲斗插入阻力P之间的近似关系可表示为: （1512）式中 阻力系数，和物料类型、块度、松散程度、斗形、斗齿间隔等有关；密实核长度；曲线拟合系数。可见，密实核长度直接影响插入阻力，当密实核长度增大时，插入阻力成级数增大。如果及时破坏密实核，缩短其长度，则插入阻力可望得到减小。实验证明，在铲斗插入时，采取适当的措施，破坏斗尖处的密实核，可以使铲斗所受水平阻力减小。所以降低密实核阻力的方法是:破坏密实核，并抑制其重新生成。（3）降低密实核阻力的方法采用液压振动铲斗插入的主要减阻机理就是不断破坏已经形成的密实核，减小滑移体面积(对大粒度物料、原生上层土影响明显)，达到降阻目的。当铲斗以振

33、动状态插入时，斗刃在不停上、下振动。斗刃前的颗粒就不停地交换，作用力的大小和方向也在不停地变化，这就破环了颗粒与斗刃一起平动的条件，难以形成密实核，从而大大减小插入阻力。对于装载机控制来说，破坏斗尖处密实核的方法，也可采取举升动臂或者收斗的方式，使斗尖向上运行一段距离，造成铲斗切削刃处密实核破裂。当铲斗底面离开物料时，再继续插入作业 (将重新生成密实核)。该方法与人在持锹铲物时的掘进动作相似，即当物料坚实难铲时，通过撬动物料，使之松散，再继续掘进的方式。15.4 推土机与作业介质相互作用理论推土机是以工业拖拉机或专用牵引车为主机，前端装有推土装置，依靠主机的顶推力，对土石方或散状物料进行切削或

34、搬运的循环式铲土运输机械。推土机在建筑、筑路、采矿、油田、水电、港口、农林及国防等各类工程中，均有广泛应用。它负担着切削、搬运、开挖、堆积、回填、平整、疏松等多种繁重的土石方作业。15.4.1 概述土方机械是按土壤切削原理进行工作的，所以切削阻力占整个工作阻力的很大部分，但切削阻力并不包括所有工作阻力，例如铲斗式工作部件工作时还有拖曳土堆的阻力和装填阻力，铲刀式工作部件还有拖曳土堆阻力和土屑穿过铲刀前积土堆时的滑移阻力等。土方机械全部工作阻力的总和称为铲掘阻力，而克服该总阻力的作用力称为铲挖力或切削力。关于切削和铲掘阻力的计算方式，已有大量的研究。然而，由于土的非均质性以及影响切削与铲掘阻力的

35、因素十分复杂，因而精确地计算上述阻力仍然十分困难。由于上述原因，目前通用的切削阻力和铲掘阻力的计算方法，大多是建立在试验基础上的一些经验公式。沿工作部件运行轨迹切线方向作用的合力，称为铲挖力或切削力。沿运行轨迹法线方向作用的合力，称为法向铲掘力或法向切削力。上述两力的合力称为总铲掘力或总切削力。如前所述，土方机械在铲掘时不仅要使土屑与基土分离，而且还要推移堆集在切削刀具前方的拖曳土堆，并使切下的土屑穿过拖曳土堆进入铲斗中或翻转到切削刀具的前方，因此，铲挖力由以下三部分组成： （1513）式中 切削力； 推移拖曳土堆的力； 用于克服铲斗装填阻力或土屑穿过拖曳土堆阻力的力。对于拉铲铲斗还要克服铲斗

36、与基土表面间的摩擦阻力。15.4.2 切削力和切削功的计算在工作部件和土的相互作用过程中，切削力的一般计算公式为： （1514）式中 土的切削力； 土屑沿工作部件表面或在斗内移动的力；移动带土工作部件的力； 推移拖曳土堆的力。（1）切削力的确定在水平工作面上切削时，力的近似计算示意图如图15-9。考虑到土屑的断裂及其沿侧表面的弯曲，力可写成如下的表达式： （1515）式中 切削元件切削刃口正面压缩土的阻力； 切削工件(刀片、齿等)上土的重力，； 土屑截面面积； 切削元件前刃面的长度； 土的密度； 切削角； 土对钢的摩擦系数；磨钝切削刃口下表面挤压土的力； 图159 工作元件与土相互作用示意图、

37、土的剪切、断裂和弯曲阻力。 铲斗斗底相对地面的倾角； 切削元件前刃面的长度(沿运行方向)力值可按下式确定：式中 磨钝的切削刃口厚度； 磨钝的切削刃口长度； 该类工作部件与土相互作用方式的当量压缩阻力。切削塑性土时，还应考虑土屑与基土的断裂阻力（图159），该力的表达式为： （15-16）式中 切削深度；断裂线长度(对于矩形工作部件，如铲斗，为铲斗宽度)；断裂时土的最大相对变形， (为土的断裂比阻)。 （1517）其中 土的内摩擦角； 无侧限压缩时土的强度； 土的弹性模量。在工作部件与土的相互作用过程中，沿土屑两侧表面还产生剪切变形(图15-10)。对于宽的工作部件，可近似地认为剪切沿垂直面产生

38、, 其高度等于土屑厚度，而不考虑断裂面的影响。式中 土的剪切应力； 剪切面长度； 角应变，；剪切模量； 图1510 土屑侧面切口示意图 切削宽度。 剪切侧表面；断裂侧表面；土的断裂角对于矩形铲斗： （1518）对于矩形工作部件，代入和值，可得和的表达式： 另外，还应考虑切下的土屑通过切削元件前刃面时的弯曲阻力：式中 土屑的抗弯截面模量； 切削元件的宽度或长度； 土屑的弯曲应力。（2）土屑沿工作部件表面或在铲斗中的移动阻力土屑沿工作部件表面或在铲斗中的移动阻力的一般表达式为： （1519）式中 切削元件的长度(沿运行方向)； 斗的长度； 土屑断面面积； 切削角；斗底相对地面的倾角。（3）工作部件

39、的移动阻力工作部件的移动阻力取决于工作部件的型式、土方机械的类型和运动轨迹。视具体机器类型进行计算。 （4）工作部件前拖曳土堆的移动阻力工作部件前拖曳土堆的移动阻力可表示为： （1520）式中 拖曳土堆的重量； 水平面与工作部件移动轨迹切线间的夹角；土与土的摩擦系数。单位切削阻力是工作部件与土壤相互过程中的客观指标之一，可以用除以土屑截面面积得出。已知切削力和切削路程长度的平均值，则可确定切削功。其一般表达式为：而单位切削功为： 式中 切下之土在密实状态下的体积。上面简要地介绍了在铲挖过程中土方机械工作部件与土相互作用时切削力与切削功的计算方法，以便于了解铲挖力(或切削力)的组成成分及其影响因

40、素，其计算较为繁杂。从实用角度出发，在计算工作部件的铲挖阻力时，常采用以下简化的经验公式：式中 土屑截面的平均面积； 平均单位面积铲挖力。值一般用试验方法确定，从级到级土，其值范围如下：铲刀型工作部件：；拉铲铲斗：；铲运机铲斗：。由于这种方法使用简单、计算方便，因此获得较广泛的应用。但该计算式没有说明产生铲挖阻力的实质及影响该阻力的各个因素。为了了解切削和挖掘过程的规律性和影响各个阻力的因素，以便采取措施降低阻力，提高工效，因此要进行科学试验研究工作，提出更符合实际又简便的计算方法和公式。正是出于这一目的，在前面较详细地讨论了有关铲挖阻力的计算方法及影响阻力的有关因素，以便采取措施，降低阻力，

41、提高工效。15.4.3 土方机械切削元件结构的合理性了解土壤切削过程规律性的目的就是要掌握这个过程，使切削元件的形状和尺寸能够较好地满足机器的使用要求。但应指出，对于不同类型的机器，甚至同类型机器，使用条件不同时，这些要求也是不同的。切削元件结构合理性的原则是：满足机器给定的生产率、能量消耗和工艺用途的要求；有足够的强度和可靠性；制造和修理工艺合理简便；噪声和工作区灰尘不超过允许的水平。应该按合理性条件综合地评价机器及其工作部件，根据具体使用条件，首先应尽量满足主要的合理性条件。所谓“全部都是合理的”这种要求是很难实现的。土方机械工作部件合理性的综合指标是经济效益，即同类型或不同类型的工作部件

42、，在相同的使用条件下完成单位土方量的费用。费用愈低，其经济效益愈高。提高经济效益的措施首先是提高机器的生产率；其次可采用改进和完善工作元件的结构和参数的方法，降低工作阻力，提高切削元件的寿命和可靠性。试验研究表明，要降低切削土壤的能量消耗，则切削元件的形状和参数应使土的大部分是按剪切、拉断、弯曲变形破坏，尽量减少土的压缩变形破坏。切削元件应具有最优的切削角和相应的后角(不小于)。工作部件的装土部分应具有合理的形状，使装斗阻力尽量降低。15.4.4 推土机工作阻力的计算 推土机的工作阻力可用下式计算： （1521）式中 推土机铲刀切土阻力(N)；推土机铲刀前土堆运移阻力(N)； 铲刀切削刃与地面

43、摩擦阻力(N)。 式中 单位面积上的切削阻力(Pa)； 切削土层沿推土机纵轴垂直方向的投影面积()； h平均切土深度(m)；推土板宽(m)；推土板回转角()；推土板前土堆重力(N)；土与土摩擦系数；坡道与水平面的夹角()；推土板前土堆的容积()，即每铲最大推土量； 土的松散系数；土的重度，()； 刀刃磨损后，刀刃压入土的比阻力(Mpa)，(=0.40.6)； 刀刃磨损后的接地长(cm) (x=0.71)；土与刀刃(钢铁)摩擦系数。15.5 推土机的推土阻力测量方法（1）推土阻力作用点的位置分析推土铲刀受力分析图如图1511所示，其中垂直工作阻力与水平工作阻力的关系为： （1522）式中 垂直工

44、作阻力； 水平工作阻力； 土壤和铲刀之间的摩擦角。 按照土压力理论，如果不考虑土壤的粘聚力，水平工作阻力作用点的位置在离刀刃下端切削深度的1/3处；如果考虑土壤的辐射剪切区（局部朗金状态区），则水平工作阻力作用点的位置大约在离刀刃下端切削深度的1/4处.为准确了解水平工作阻力作用点的位置，研究人员用直立式模型铲刀进行实验，得到水平工作阻力在垂直方向的分布图如图1512所示，阻力大部分集中在铲刀的下部。图1511 推土铲刀受力分析图图1512 水平工作阻力在垂直方向的分布图（2）推土阻力的实验室测量方法美国研究人员研制了在实验室测量推土阻力的专用设备如图1513和图1514所示，实验设备包括：1

45、）液压工作台，用于准静态状况下的试验； 2）冲击摆，用于动态条件下的试验； 3）土槽：外形尺寸为1.0×0.7×0.7m； 4）测量阻力的传感器； 5）切削刀具，用铝合金制成的楔形(顶角为35°)切刀，切刀高度为80mm，宽度分别为60、80和100mm三种，各对应的切削深度为80、160和240mm。液压工作台系统简图如图l513所示，该工作台为一种框架式结构，它有一 图1513 液压试验台设计简图根粗大的钢轴(在导轮中作往复运动)，钢 1液压驱动装置；2框架式结构4导向轮；5连接头；轴前部装有连接装置（它可安装带有传感 6力传感器；7刀具；8土壤；9土槽器的切

46、刀)，钢轴后部连接可拆卸的液压驱动系统(在动态试验时由冲击摆取代，见图1513)的活塞杆。土槽安装在框架的前端，土壤以0.2m的厚度分层装入土槽，并压实成自然密度状态(由标准贯入仪测定)。对土壤的物理性质和粒径分别进行了测定和分析。 传感器装置由一组支座(上支座和下支座)组成，用于支撑切刀或切刀组，其指示器读数之和表示前方阻力之和，读数之差表示力在垂直方向的位置。图1514 安装有冲击摆的试验台设计简图 1冲击摆；2钢轴；3刀具；4土壤由试验结果可知，在切削速度为0.1到35mms的范围内，推土阻力的极限值随速度增大而明显增加，但在525mms的较高速度范围内，该阻力值增加缓慢。推土阻力与铲刀宽度成线性关系，与切削深度成非线性关系。 吉林大学研究人员研制了测量推土阻力的试验装置，并根据新