平地機鏟刀弧面載荷分布研究

儲鹍 楊立超 周兵

摘 ?要：在鏟掘介質的平地機鏟刀圓弧表面上布置薄膜應力應變傳感器，獲得入土角-5°、15°、35°及正鏟、斜鏟姿態下的載荷變化特征，研究沿圓弧面各節點縱、橫向上的受力變化曲線形態，借鑒積分原理計算傳感器涵蓋范圍內的鏟刀體應力應變平均值;利用ANSYS軟件對整個鏟刀體關鍵節點位置施加載荷，通過仿真分析對比逆向加載結果與實驗時作業介質與鏟刀間載荷的差異，獲得鏟刀的最佳鏟掘姿態及弧面載荷分布規律。

關鍵詞：鏟刀姿態;弧面應力應變測試;鏟掘效果云圖

1引言

鏟刀體是土方類作業機器常見的、共性工作部件，然而在該領域的研究并未受到足夠的重視，目前有關這方面的研究資料也較少，不能滿足現有鏟掘體的優化、改進及試制的需求。目前解決該類問題的主要途徑之一：對宏觀與微觀構成的非線性鏟掘類作業系統——采用仿真分析與研究，僅憑模擬、假設對介質、鏟刀體進行孤立的研究和分析，其邊界條件受到拆解、結果準確性受到束縛，沒能在耦合作用機理研究方面取得應用與突破。

2剛散技術使用背景及范疇

本文基于散體顆粒物料的非連續、非線型性等特征，引用其他領域中成熟驗證的研究方法開展剛散作業機理特性探索。實驗方法可以獲取真實的數據，但基于離散物料作業其規律性及重復性較差，導致分析及規律研究受到局限性，無法逆向驗證、反饋及載荷曲線重復再現，通過薄膜應變測試實驗結合ANSYS仿真技術可以解決相互之間的驗證需求，仿真可以指導實驗方法的改進，實驗可以為仿真精度保證提供數據載入，獲得弧形結構載荷變化規律特征參數及邊界束縛條件下的最優弧線結構，提高介質耦合機理計算的精度及準確性。

3鏟刀體受載測試實驗

參照《GB/T8506-2008平地機實驗方法》中的測量方法，獲取鏟刀外形尺寸參數，開展鏟刀體鏟掘載荷分布測試及不同區域位置上的曲線變化規律研究，試驗測試應遵循但不局限于本規程，對鏟掘過程中弧面載荷分布進行系統測試與分析。

以5×8或7×8的規格在鏟刀體表面上安裝薄膜傳感器，其一表面與鏟刀體工作表面緊密貼合，鏟掘時介質與薄膜應變計的另一表面貼合，薄膜應變計表面用軟性的膠帶防護，鏟刀體下表面設有防切割的薄鐵皮裝置，薄膜應變計的信號傳輸線通過鏟刀體上方的凹槽引出并連接到數據采集儀器上，構建一個鏟刀體載荷的實時測量系統。

按照作業介質工況的分類，基于土壤力學實驗室內具有典型代表性的沙土介質進行實驗測試及分析，因作業過程中整機的前中后輪胎產生一定的浮動，導致鏟刀切削深度、角度呈現動態變化規律，所測試數據不具備單一性、連續性，本實驗采用挖取輪胎寬度固定導向槽的方式來控制鏟刀左右高度及鏟刀體姿態等相關問題。

為了進一步的驗證試驗結果，按照試驗節點布置方式使用ANSYS軟件進行載荷的加載并模擬仿真計算，將標定后的實驗數據輸入仿真模型進行計算，對比實驗與仿真結果間的差異所在，獲得鏟刀體工作過程中的載荷變化規律及應力應變集中區域，改進優化鏟刀體結構參數，使得鏟刀體工作裝置實現輕量化，對不同區域的載荷情況進行分解、分級處理可以獲得縱橫向上的載荷變化規律，通過鏟刀姿態的調整，獲得總體載荷較小，受載均勻的鏟掘姿態特征，為整機的姿態控制及鏟掘效率的提升提供數據支撐。

4數據分析

實驗過程中通過控制油缸的伸縮變化來變換鏟刀體的入土角度（姿態），對比最大、中間及最小角度下的正鏟、斜鏟等6種姿態下的實驗測試結果，同時將對標產品進行相同的測試分析。沿鏟刀圓弧面從上到下按1、2…8進行分組編號，可以研究介質沿鏟刀弧面翻滾狀態下的載荷變化規律。

通過調整鏟刀體的入土角度及正斜鏟姿態調節，對比測試曲線結果獲知：

（1）分析GR180平地機正鏟狀態下，鏟刀體沿圓弧3、5號點位置受到載荷較大，其它位置受到載荷較小，通過入土角度的改變，發現35°入土角時1、2受力小（較6、7、8點），而-5°入土角時1、2位置受力較大（較6、7、8點）;因4號點位測量數據滿量程圖中未標出其曲線變化規律。

（2）斜鏟狀態下，鏟刀體沿圓弧5、6號點位置受到載荷大小較大，其它位置受到載荷較小，通過入土角度的改變，發現35°入土角時1、2、3、4受力小（較7、8點），而15°入土角時1、2、3、4位置受力較大（較7、8點）。

（3）仿真分析獲知沿弧線方向遵循從上到下逐漸變大趨勢，并在橫向上關于中心位置對稱分布，實驗測試與仿真結果趨勢接近一致。

5結論

（1）通過鏟刀體正、斜鏟及大、中、小入土角度的對比，可獲知正鏟狀態下、35°入土角徐工鏟刀總體受力較CAT的載荷大;且鏟掘入土角對鏟刀體受力影響比正、斜鏟姿態影響大，說明鏟刀體入土角度是產生裝置阻力的首要因素之一。

（2）獲得35°入土角工況下正、斜鏟截然相反的結論;斜鏟姿態下，35°入土角徐工鏟刀體總體受力均值小于對標的CAT，說明鏟刀體受力不僅僅與入土角度大小有關，還與正斜鏟姿態相關聯，并且正斜鏟姿態隨入土角變化呈現不同變化特征。

參考文獻

[1] ?李靜海，歐陽潔，高士秋.顆粒流體復雜系統的多尺度模擬.北京：科學出版社，2009.