賀雨田, 呂彭民, 張建兵, 郭龍龍, 吳 文

(1. 西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065； 2. 長安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064; 3. 西安石油大學(xué) 西安市高難度復(fù)雜油氣井完整性評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

0 引 言

土壤推運(yùn)作業(yè)在公路、建筑、礦業(yè)和農(nóng)業(yè)等工程中應(yīng)用廣泛[1-3]。針對(duì)土壤推運(yùn)試驗(yàn)和理論模型的相關(guān)研究中，分析土壤推運(yùn)機(jī)理、降低推運(yùn)工作阻力、改善土壤推運(yùn)效果、提高作業(yè)穩(wěn)定性等受到研究者的廣泛關(guān)注[4]。B. M. WILLMAN等[5]指出，作業(yè)工具的幾何外形是影響推運(yùn)工作阻力的關(guān)鍵因素，其余因素須在該條件確定的前提下進(jìn)行進(jìn)一步討論。因此，針對(duì)鏟刀形狀的設(shè)計(jì)是土壤推運(yùn)作業(yè)工具的重要研究方向之一[6]。常見的鏟刀形狀包括平面鏟刀和曲面鏟刀，其中曲面鏟刀又可細(xì)分為圓弧面、拋物面、雙曲面和仿生曲面鏟刀[7]。由此可知，雖然鏟刀形狀多種多樣，但針對(duì)其外形設(shè)計(jì)的主要目的仍是為了降低工作阻力和改善推運(yùn)效果。為了更形象地表述試驗(yàn)用鏟刀的形狀，將平面鏟刀稱為Ⅰ型鏟刀，曲面鏟刀稱為C型鏟刀。

Ⅰ型鏟刀結(jié)構(gòu)簡單，在推運(yùn)作業(yè)過程中僅受作業(yè)傾角α、作業(yè)深度d、鏟板寬度w和推運(yùn)速度v共4個(gè) 因素的影響[8]。而C型鏟刀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響因素較多，目前普遍采用如下方法：即針對(duì)不同曲面形狀的鏟刀，開展優(yōu)選對(duì)比試驗(yàn)，并通過工作阻力改善效果評(píng)價(jià)，從而獲得較為合理的鏟刀曲面形狀[9]。I. SHMULEVICH等[10]設(shè)計(jì)了4種鏟刀，以砂土為作業(yè)介質(zhì)開展了試驗(yàn)研究并采用離散單元法進(jìn)行了模擬分析，但4種鏟刀除了刃緣的刀角相同之外，鏟刀的外形變化并無明顯規(guī)律可循；郭志軍等[11]采用經(jīng)典推土板設(shè)計(jì)理論，設(shè)計(jì)了9種不同觸土曲面形狀的鏟刀，并進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)仿生曲面鏟刀減阻效果明顯；T. TSUJI等[12]以玻璃粒為推運(yùn)介質(zhì)，采用試驗(yàn)和離散元模擬兩種方法對(duì)推運(yùn)過程進(jìn)行研究，其中模擬時(shí)設(shè)計(jì)的鏟刀是對(duì)工程用曲面鏟刀的近似。

從上述鏟刀外形設(shè)計(jì)可以看出，曲面形狀在實(shí)際中比較常見，而且為了降低工作阻力和改善推運(yùn)作業(yè)的效果，通常會(huì)盡可能選擇最優(yōu)的曲面形狀，但這一最優(yōu)結(jié)構(gòu)往往與設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)思路關(guān)系密切，甚至具有一定主觀性。此外，不同形狀鏟刀之間工作阻力的對(duì)比并無有效的可量化對(duì)比參數(shù)，故而鏟刀形狀設(shè)計(jì)尚未建立較為系統(tǒng)且具有規(guī)律和特征的設(shè)計(jì)方法。因此，在大量研究中，為了簡化研究方法，諸多研究人員通常采用平面鏟刀為作業(yè)工具開展相關(guān)理論分析和試驗(yàn)研究[13-14]。

但無論是Ⅰ型鏟刀還是C型鏟刀，在推運(yùn)過程中，鏟刀刃緣對(duì)土壤的破壞起著至關(guān)重要的作用。相同鏟刀的刃緣位置發(fā)生變化，會(huì)顯著影響土壤推運(yùn)過程的工作阻力[15]。以Ⅰ型鏟刀為例，針對(duì)特定物理特性的土壤，當(dāng)推運(yùn)速度v和鏟刀寬度w確定時(shí)，在一定作業(yè)深度d下，作業(yè)傾角α是影響土壤推運(yùn)工作阻力的唯一因素[8]。而Ⅰ型鏟刀作業(yè)傾角α的改變意味著鏟刀刃緣位置的改變，以作業(yè)傾角90°時(shí)的刃緣位置為比較對(duì)象，當(dāng)作業(yè)傾角α不斷減小時(shí)，鏟刀刃緣位置不斷前移。對(duì)C型鏟刀而言，不同鏟刀的差異主要體現(xiàn)在幾何外形上，當(dāng)鏟刀曲面的幾何外形發(fā)生變化時(shí)，其鏟刀刃緣位置也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。通過上述分析可知，當(dāng)不同鏟刀在幾何外形上存在差異時(shí)，可以將鏟刀刃緣位置作為一個(gè)量化參數(shù)來比較不同形狀鏟刀工作阻力的大小。

筆者以Ⅰ型鏟刀和C型鏟刀為作業(yè)工具，以砂土為推運(yùn)作業(yè)介質(zhì)，引入不同形狀鏟刀刃緣位置相同的概念，并將刃緣位置量化后視為比較參數(shù)；針對(duì)給定的2種鏟刀共確定了4個(gè)相同的刃緣位置，在120 mm和150 mm 2種作業(yè)深度下，開展了土壤推運(yùn)試驗(yàn)研究；以刃緣位置相同為比較前提，對(duì)2種鏟刀在不同作業(yè)深度下的工作阻力進(jìn)行比較，從而判斷鏟刀形狀對(duì)土壤推運(yùn)作業(yè)過程的有益影響，同時(shí)對(duì)不同形狀鏟刀的推運(yùn)作業(yè)效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1 推運(yùn)理論

土壤推運(yùn)作業(yè)過程的工作阻力變化可以分為兩個(gè)階段：首先是工作阻力逐漸增加階段，而后是工作阻力趨于穩(wěn)定后的平穩(wěn)推運(yùn)階段。圖1為Ⅰ型鏟刀和C型鏟刀在平穩(wěn)推運(yùn)階段對(duì)土壤推運(yùn)作業(yè)的一個(gè)瞬時(shí)狀態(tài)。假設(shè)2種鏟刀推運(yùn)作業(yè)的土堆輪廓線相同；h為鏟刀與推運(yùn)土壤的觸土高度；d為作業(yè)深度；α1為Ⅰ型鏟刀的作業(yè)傾角；α2為C型鏟刀的作業(yè)傾角；圖1中，土壤作業(yè)深度內(nèi)的兩條斜曲線分別為Ⅰ型鏟刀和C型鏟刀對(duì)土壤推運(yùn)作業(yè)的失效面。

圖1 土壤推運(yùn)過程Fig. 1 Process of soil bulldozing

一般而言，在Ⅰ型鏟刀對(duì)土壤進(jìn)行推運(yùn)作業(yè)過程中，進(jìn)入平穩(wěn)推運(yùn)階段后，當(dāng)作業(yè)傾角α1減小，工作阻力隨著作業(yè)傾角α1的減小而減小，且土壤破壞的失效面會(huì)隨作業(yè)傾角α1的減小而后移[16]。對(duì)C型鏟刀而言，當(dāng)鏟刀刃緣位置與Ⅰ型鏟刀相同時(shí)，由于幾何形狀的原因，C型鏟刀的作業(yè)傾角α2小于Ⅰ型鏟刀的作業(yè)傾角α1，因此，C型鏟刀土壤破壞的失效面相對(duì)于Ⅰ型鏟刀也是后移的(見圖1)。此時(shí)，可以以刃緣位置相同為比較前提，對(duì)Ⅰ型鏟刀和C型鏟刀的工作阻力進(jìn)行對(duì)比，建立不同形狀鏟刀之間工作阻力對(duì)比的可量化參數(shù)。

2 試驗(yàn)過程

2.1 鏟刀結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)用鏟刀結(jié)構(gòu)如圖2。圖2(a)為Ⅰ型鏟刀，其中，L和L1分別為鏟刀長度和刃緣位置，mm，作業(yè)傾角α是影響Ⅰ型鏟刀工作阻力的主要因素，這三者之間的關(guān)系見式(1)：

L1=L·cosα

(1)

圖2(b)為C型鏟刀，該鏟刀曲面為圓弧狀，且圓弧半徑為450 mm，其中，L2表示C型鏟刀的刃緣位置，mm。當(dāng)L1與L2相等時(shí)，可視為Ⅰ型鏟刀和C型鏟刀的刃緣位置相同。2種鏟刀的寬度均設(shè)計(jì)為300 mm，研究表明，寬深比增加時(shí)，工作阻力呈緩慢增加的趨勢，在一定范圍內(nèi)寬深比較大更有利于土壤推運(yùn)。該實(shí)驗(yàn)鏟刀的最小寬深比大于2，因此，在鏟刀類型上屬于寬板鏟刀[17]。

圖2 鏟刀結(jié)構(gòu)Fig. 2 Blade structure

當(dāng)Ⅰ型鏟刀對(duì)土壤進(jìn)行推運(yùn)作業(yè)時(shí)，其工作阻力隨作業(yè)傾角α減小而減小。由此可知，作業(yè)傾角α不宜過大，因?yàn)槠溥^大會(huì)導(dǎo)致工作阻力過大，但同時(shí)作業(yè)傾角也不能過小，過小則不能有效開展土壤推運(yùn)作業(yè)，無法實(shí)現(xiàn)土壤推運(yùn)的目的。因此，為了達(dá)到工程作業(yè)目的，根據(jù)實(shí)際情況，Ⅰ型鏟刀的作業(yè)傾角α應(yīng)保持在一定范圍內(nèi)，筆者分別選擇80°、75°、70°和65°共4個(gè)作業(yè)傾角開展試驗(yàn)。

為了確保C型鏟刀和Ⅰ型鏟刀的刃緣位置相同，需要確定C型鏟刀的刃緣位置。首先，按式(1)可得，Ⅰ型鏟刀在4個(gè)作業(yè)傾角80°、75°、70°和65°下的刃緣位置L1分別約為87、129、171、211 mm。C型鏟刀采用工裝進(jìn)行固定，該工裝可以安裝在車架上，是一個(gè)可以與C型鏟刀圓弧面配合的槽型框架結(jié)構(gòu)，C型鏟刀沿配合面可以轉(zhuǎn)動(dòng)，圖3給出了安裝示意。先確定鏟刀刃緣位置L2為87 mm時(shí)的鏟刀安裝位置，將工裝和鏟刀同時(shí)標(biāo)記，并把標(biāo)記位置設(shè)為零位。以此零位為起點(diǎn)，將鏟刀依次沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)3個(gè)角度，便可得到C型鏟刀與Ⅰ型鏟刀刃緣前移距離相同的鏟刀固定位置。

為了簡化鏟刀旋轉(zhuǎn)方法，且在試驗(yàn)中具有可操作性，并使旋轉(zhuǎn)后C型鏟刀的位置更準(zhǔn)確，采用作圖法計(jì)算出3個(gè)旋轉(zhuǎn)角度所對(duì)應(yīng)的3段弧長C1、C2和C3。經(jīng)計(jì)算測量，3段弧長的長度分別約為63、60、50 mm。在鏟刀工裝上標(biāo)記零位，在C型鏟刀上標(biāo)記3個(gè)弧長的端點(diǎn)位置，通過依次旋轉(zhuǎn)對(duì)齊，可以得到與Ⅰ型鏟刀刃緣位置相同的C型鏟刀的其余3個(gè)位置。

圖3 C型鏟刀的刃緣位置確定Fig. 3 Edge position determination of C-shape blade

2.2 試驗(yàn)過程

選擇砂土為推運(yùn)介質(zhì)開展試驗(yàn)研究。該砂土在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境自然陰干，含水量近似為零。對(duì)砂土進(jìn)行隨機(jī)密度測試，其平均密度約為1.52 g/cm3。經(jīng)過土壤篩分試驗(yàn)得知，砂土最大粒徑不超過5 mm，粒徑大于0.5 mm的砂土顆粒約占砂土總質(zhì)量的70%，不同粒徑范圍砂土占總質(zhì)量百分比見表1。在完成每組土壤推運(yùn)試驗(yàn)后，進(jìn)行回填并人工壓實(shí)，然后平整砂土，保證試驗(yàn)時(shí)砂土密度接近平均密度。

表1 砂土粒徑分布Table 1 Size distribution of sand

推運(yùn)試驗(yàn)在自行研制的牽引式土壤推運(yùn)裝置上進(jìn)行，整體結(jié)構(gòu)及主要部件如圖4。試驗(yàn)裝置長為6.0 m、寬為1.2 m、高為0.24 m，整體呈矩形結(jié)構(gòu)，以電動(dòng)葫蘆為動(dòng)力源，通過鋼絲繩卷揚(yáng)，以拉拽方式牽引車架沿導(dǎo)軌前進(jìn)，從而使車架上的鏟刀對(duì)土壤進(jìn)行推運(yùn)作業(yè)。鋼絲繩和車架拉環(huán)處安裝了拉力傳感器進(jìn)行工作阻力數(shù)據(jù)采集，并通過Dewesoft應(yīng)力應(yīng)變儀對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和處理。Ⅰ型鏟刀和C型鏟刀在4種相同刃緣位置下，選擇120、150 mm兩種作業(yè)深度開展試驗(yàn)，推運(yùn)速度為0.12 m/s。

3 試驗(yàn)結(jié)果

Ⅰ型鏟刀和C型鏟刀在4個(gè)刃緣位置和2種作業(yè)深度下，共完成16次土壤推運(yùn)試驗(yàn)。根據(jù)Ⅰ型鏟刀與C型鏟刀刃緣位置相同的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將2種鏟刀在相同作業(yè)深度下的推運(yùn)試驗(yàn)結(jié)果視為一組，并將采集數(shù)據(jù)繪制在一個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)，其中位移為橫坐標(biāo)，工作阻力為縱坐標(biāo)，得到8組工作阻力隨位移的變化曲線，如圖5和圖6。

圖4 試驗(yàn)裝置Fig. 4 Testing equipment

圖5 刃緣相同條件下Ⅰ型和C型鏟刀工作阻力曲線(d=120 mm)Fig. 5 Working resistance curves of I-shape blade and C-shape blade under the same blade edge condition (d=120 mm)

圖6 刃緣相同條件下Ⅰ型和C型鏟刀工作阻力曲線(d=150 mm)Fig. 6 Working resistance curves of I-shape blade and C-shape blade under the same blade edge condition (d=150 mm)

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，推運(yùn)過程均經(jīng)歷了工作阻力逐漸增加和平穩(wěn)推運(yùn)兩個(gè)階段，僅有1次試驗(yàn)的位移小于4 m，但大于3.5 m，其余15次試驗(yàn)的位移均大于4 m。在工作阻力逐漸增加階段，Ⅰ型鏟刀工作阻力增加相對(duì)平緩，而C型鏟刀工作阻力的增加速度相對(duì)較快；進(jìn)入穩(wěn)定推運(yùn)階段后，Ⅰ型鏟刀在部分作業(yè)條件下推運(yùn)過程具有一定波動(dòng)，如圖5(a)、圖6(c)，而C型鏟刀工作阻力變化相對(duì)平穩(wěn)。此外，5組試驗(yàn)〔圖5(b)、圖5(c)、圖5(d)、圖6(a)和圖6(d)〕在進(jìn)入平穩(wěn)推運(yùn)階段后的工作阻力比較接近，其中圖5(b)和5(d)中曲線近乎重合；其余3組試驗(yàn)〔圖5(a)、圖6(b)和圖6(c)〕在進(jìn)入平穩(wěn)推運(yùn)階段后，C型鏟刀的工作阻力小于Ⅰ型鏟刀。

4 對(duì)比分析

通過進(jìn)一步計(jì)算平均工作阻力，對(duì)2種鏟刀在相同刃緣位置下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。平均工作阻力是位移在2～4 m范圍內(nèi)工作阻力曲線數(shù)據(jù)的均值(位移小于4 m時(shí)按3.5 m計(jì))。圖7為Ⅰ型鏟刀和C型鏟刀在2種作業(yè)深度下且刃緣位置相同時(shí)的平均工作阻力對(duì)比。由圖7(a)可知：在作業(yè)深度為120 mm條件下，當(dāng)刃緣位置為87 mm時(shí)，2種鏟刀的平均工作阻力差異不大，C型鏟刀的平均工作阻力略小，比Ⅰ型鏟刀小2.3%；當(dāng)刃緣位置為129、171、211 mm時(shí)，C型鏟刀的平均工作阻力相對(duì)較大，比Ⅰ型鏟刀分別大3.3%、13.8%和2.0%。由圖7(b)可知：在作業(yè)深度為150 mm條件下，當(dāng)刃緣位置為87 、211 mm時(shí)，C型鏟刀的平均工作阻力略大，比Ⅰ型鏟刀分別大4.2%和3.3%；當(dāng)刃緣位置為129、171 mm時(shí)，C型鏟刀的平均工作阻力相對(duì)較小，比Ⅰ型鏟刀分別小了8.0%和16.1%。

圖7 兩種鏟刀平均工作阻力對(duì)比Fig. 7 Comparison of average working resistance for two blades

從以上對(duì)比分析可以看出，當(dāng)刃緣位置為87mm時(shí)，也就是刃緣位置較小的情況下，2種鏟刀的在不同作業(yè)深度下的工作阻力比較接近，最大誤差為4.2%。這是由于當(dāng)刃緣位置較小時(shí)，作業(yè)傾角相對(duì)較大，且C型鏟刀在該刃緣位置下的作業(yè)傾角與Ⅰ型鏟刀相差不大，因此，2種鏟刀的工作阻力比較接近；而且從圖7(b)還可以看出，C型鏟刀在作業(yè)深度為150 mm時(shí)的工作阻力大于Ⅰ型鏟刀，這與C型鏟刀的幾何外形會(huì)導(dǎo)致土壤推運(yùn)體積增加有關(guān)，因此，C型鏟刀在刃緣位置較小的情況下沒有體現(xiàn)出對(duì)工作阻力的有益影響。

當(dāng)刃緣位置為211 mm時(shí)，也就是刃緣位置較大的情況下，即作業(yè)傾角相對(duì)較小，2種鏟刀在不同作業(yè)深度下的工作阻力也較為接近，最大誤差僅為3.3%。此時(shí)，由于作業(yè)傾角相對(duì)較小，工作阻力也明顯相對(duì)偏小，因此，鏟刀對(duì)土壤的推運(yùn)能力有所下降。但由于土壤的物理特性是確定的，鏟刀在該刃緣位置下對(duì)土壤的剪切破壞作用力相差不大，導(dǎo)致鏟刀對(duì)土壤的剪切作用力在總推運(yùn)工作阻力中的占比增加。因此，刃緣位置較大時(shí)，C型鏟刀也沒有在推運(yùn)作業(yè)中體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。

當(dāng)刃緣位置為129 mm和171 mm時(shí)，該刃緣位置確定的作業(yè)傾角與實(shí)際鏟刀比較接近。此時(shí)，2種鏟刀在不同作業(yè)深度下的工作阻力呈現(xiàn)相反的變化結(jié)果：當(dāng)作業(yè)深度為120 mm時(shí)，C型鏟刀的工作阻力均比Ⅰ型鏟刀大，最大增加了13.8%，也就是說Ⅰ型鏟刀更有利于推運(yùn)作業(yè)；作業(yè)深度為150 mm時(shí)，C型鏟刀的工作阻力均比Ⅰ型鏟刀小，最大減少了16.1%，即C型鏟刀可以有效改善推運(yùn)作業(yè)。這兩種相反的對(duì)比結(jié)果與鏟刀作業(yè)深度增加而導(dǎo)致的鏟刀與推運(yùn)土壤的觸土高度h值增大有關(guān)。當(dāng)作業(yè)深度較小時(shí)，觸土高度h值較小，此時(shí)，在相同刃緣條件下Ⅰ型鏟刀更有利于推運(yùn)作業(yè)；當(dāng)作業(yè)深度較大時(shí)，觸土高度h值隨之也會(huì)增大，此時(shí)，C型鏟刀的曲面結(jié)構(gòu)更有利于土壤的流動(dòng)，從而與Ⅰ型鏟刀相比，其工作阻力得到了有效改善。因此，作業(yè)深度較小時(shí)，可以采用結(jié)構(gòu)簡單的Ⅰ型鏟刀進(jìn)行土壤推運(yùn)作業(yè)；當(dāng)作業(yè)深度較大時(shí)，需要考慮鏟刀形狀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用帶有C型曲面的復(fù)雜特征結(jié)構(gòu)鏟刀可以實(shí)現(xiàn)改善工作阻力的目的。

5 結(jié) 論

1) 針對(duì)Ⅰ型和C型2種不同幾何外形的鏟刀，以4個(gè)相同刃緣位置為比較前提，分別在2種作業(yè)深度下，開展了土壤推運(yùn)對(duì)比試驗(yàn)。

2) 當(dāng)刃緣位置相對(duì)較小或較大時(shí)，2種鏟刀的工作阻力比較接近，這表明當(dāng)刃緣位置較小或較大時(shí)鏟刀形狀對(duì)工作阻力的影響不大。

3) 當(dāng)刃緣位置確定的作業(yè)傾角與實(shí)際鏟刀相近時(shí)，在不同作業(yè)深度下，鏟刀形狀對(duì)工作阻力產(chǎn)生了明顯的影響。深度較小時(shí)，Ⅰ型鏟刀更有利于推運(yùn)作業(yè)；深度較大時(shí)，C型鏟刀的工作阻力相對(duì)更小，因此，鏟刀形狀設(shè)計(jì)需要考慮作業(yè)深度的影響。

4) 由于刃緣位置會(huì)影響鏟刀推運(yùn)作業(yè)的工作阻力，針對(duì)不同幾何外形的鏟刀，可以以刃緣位置為量化參數(shù)對(duì)工作阻力進(jìn)行比較。