平地机铲刀弧面载荷分布研究

储鹍 杨立超 周兵

摘  要：在铲掘介质的平地机铲刀圆弧表面上布置薄膜应力应变传感器，获得入土角-5°、15°、35°及正铲、斜铲姿态下的载荷变化特征，研究沿圆弧面各节点纵、横向上的受力变化曲线形态，借鉴积分原理计算传感器涵盖范围内的铲刀体应力应变平均值;利用ANSYS软件对整个铲刀体关键节点位置施加载荷，通过仿真分析对比逆向加载结果与实验时作业介质与铲刀间载荷的差异，获得铲刀的最佳铲掘姿态及弧面载荷分布规律。

关键词：铲刀姿态;弧面应力应变测试;铲掘效果云图

1引言

铲刀体是土方类作业机器常见的、共性工作部件，然而在该领域的研究并未受到足够的重视，目前有关这方面的研究资料也较少，不能满足现有铲掘体的优化、改进及试制的需求。目前解决该类问题的主要途径之一：对宏观与微观构成的非线性铲掘类作业系统——采用仿真分析与研究，仅凭模拟、假设对介质、铲刀体进行孤立的研究和分析，其边界条件受到拆解、结果准确性受到束缚，没能在耦合作用机理研究方面取得应用与突破。

2刚散技术使用背景及范畴

本文基于散体颗粒物料的非连续、非线型性等特征，引用其他领域中成熟验证的研究方法开展刚散作业机理特性探索。实验方法可以获取真实的数据，但基于离散物料作业其规律性及重复性较差，导致分析及规律研究受到局限性，无法逆向验证、反馈及载荷曲线重复再现，通过薄膜应变测试实验结合ANSYS仿真技术可以解决相互之间的验证需求，仿真可以指导实验方法的改进，实验可以为仿真精度保证提供数据载入，获得弧形结构载荷变化规律特征参数及边界束缚条件下的最优弧线结构，提高介质耦合机理计算的精度及准确性。

3铲刀体受载测试实验

参照《GB/T8506-2008平地机实验方法》中的测量方法，获取铲刀外形尺寸参数，开展铲刀体铲掘载荷分布测试及不同区域位置上的曲线变化规律研究，试验测试应遵循但不局限于本规程，对铲掘过程中弧面载荷分布进行系统测试与分析。

以5×8或7×8的规格在铲刀体表面上安装薄膜传感器，其一表面与铲刀体工作表面紧密贴合，铲掘时介质与薄膜应变计的另一表面贴合，薄膜应变计表面用软性的胶带防护，铲刀体下表面设有防切割的薄铁皮装置，薄膜应变计的信号传输线通过铲刀体上方的凹槽引出并连接到数据采集仪器上，构建一个铲刀体载荷的实时测量系统。

按照作业介质工况的分类，基于土壤力学实验室内具有典型代表性的沙土介质进行实验测试及分析，因作业过程中整机的前中后轮胎产生一定的浮动，导致铲刀切削深度、角度呈现动态变化规律，所测试数据不具备单一性、连续性，本实验采用挖取轮胎宽度固定导向槽的方式来控制铲刀左右高度及铲刀体姿态等相关问题。

为了进一步的验证试验结果，按照试验节点布置方式使用ANSYS软件进行载荷的加载并模拟仿真计算，将标定后的实验数据输入仿真模型进行计算，对比实验与仿真结果间的差异所在，获得铲刀体工作过程中的载荷变化规律及应力应变集中区域，改进优化铲刀体结构参数，使得铲刀体工作装置实现轻量化，对不同区域的载荷情况进行分解、分级处理可以获得纵横向上的载荷变化规律，通过铲刀姿态的调整，获得总体载荷较小，受载均匀的铲掘姿态特征，为整机的姿态控制及铲掘效率的提升提供数据支撑。

4数据分析

实验过程中通过控制油缸的伸缩变化来变换铲刀体的入土角度（姿态），对比最大、中间及最小角度下的正铲、斜铲等6种姿态下的实验测试结果，同时将对标产品进行相同的测试分析。沿铲刀圆弧面从上到下按1、2…8进行分组编号，可以研究介质沿铲刀弧面翻滚状态下的载荷变化规律。

通过调整铲刀体的入土角度及正斜铲姿态调节，对比测试曲线结果获知：

（1）分析GR180平地机正铲状态下，铲刀体沿圆弧3、5号点位置受到载荷较大，其它位置受到载荷较小，通过入土角度的改变，发现35°入土角时1、2受力小（较6、7、8点），而-5°入土角时1、2位置受力较大（较6、7、8点）;因4号点位测量数据满量程图中未标出其曲线变化规律。

（2）斜铲状态下，铲刀体沿圆弧5、6号点位置受到载荷大小较大，其它位置受到载荷较小，通过入土角度的改变，发现35°入土角时1、2、3、4受力小（较7、8点），而15°入土角时1、2、3、4位置受力较大（较7、8点）。

（3）仿真分析获知沿弧线方向遵循从上到下逐渐变大趋势，并在横向上关于中心位置对称分布，实验测试与仿真结果趋势接近一致。

5结论

（1）通过铲刀体正、斜铲及大、中、小入土角度的对比，可获知正铲状态下、35°入土角徐工铲刀总体受力较CAT的载荷大;且铲掘入土角对铲刀体受力影响比正、斜铲姿态影响大，说明铲刀体入土角度是产生裝置阻力的首要因素之一。

（2）获得35°入土角工况下正、斜铲截然相反的结论;斜铲姿态下，35°入土角徐工铲刀体总体受力均值小于对标的CAT，说明铲刀体受力不仅仅与入土角度大小有关，还与正斜铲姿态相关联，并且正斜铲姿态随入土角变化呈现不同变化特征。

参考文献

[1]  李静海，欧阳洁，高士秋.颗粒流体复杂系统的多尺度模拟.北京：科学出版社，2009.