基于相同刃缘的Ⅰ型与C型铲刀工作阻力对比试验研究

贺雨田, 吕彭民, 张建兵, 郭龙龙, 吴 文

(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; 3. 西安石油大学 西安市高难度复杂油气井完整性评价重点实验室，陕西 西安 710065)

0 引 言

土壤推运作业在公路、建筑、矿业和农业等工程中应用广泛[1-3]。针对土壤推运试验和理论模型的相关研究中，分析土壤推运机理、降低推运工作阻力、改善土壤推运效果、提高作业稳定性等受到研究者的广泛关注[4]。B. M. WILLMAN等[5]指出，作业工具的几何外形是影响推运工作阻力的关键因素，其余因素须在该条件确定的前提下进行进一步讨论。因此，针对铲刀形状的设计是土壤推运作业工具的重要研究方向之一[6]。常见的铲刀形状包括平面铲刀和曲面铲刀，其中曲面铲刀又可细分为圆弧面、抛物面、双曲面和仿生曲面铲刀[7]。由此可知，虽然铲刀形状多种多样，但针对其外形设计的主要目的仍是为了降低工作阻力和改善推运效果。为了更形象地表述试验用铲刀的形状，将平面铲刀称为Ⅰ型铲刀，曲面铲刀称为C型铲刀。

Ⅰ型铲刀结构简单，在推运作业过程中仅受作业倾角α、作业深度d、铲板宽度w和推运速度v共4个 因素的影响[8]。而C型铲刀的结构设计影响因素较多，目前普遍采用如下方法：即针对不同曲面形状的铲刀，开展优选对比试验，并通过工作阻力改善效果评价，从而获得较为合理的铲刀曲面形状[9]。I. SHMULEVICH等[10]设计了4种铲刀，以砂土为作业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种铲刀除了刃缘的刀角相同之外，铲刀的外形变化并无明显规律可循；郭志军等[11]采用经典推土板设计理论，设计了9种不同触土曲面形状的铲刀，并进行了试验对比研究，发现仿生曲面铲刀减阻效果明显；T. TSUJI等[12]以玻璃粒为推运介质，采用试验和离散元模拟两种方法对推运过程进行研究，其中模拟时设计的铲刀是对工程用曲面铲刀的近似。

从上述铲刀外形设计可以看出，曲面形状在实际中比较常见，而且为了降低工作阻力和改善推运作业的效果，通常会尽可能选择最优的曲面形状，但这一最优结构往往与设计者的设计思路关系密切，甚至具有一定主观性。此外，不同形状铲刀之间工作阻力的对比并无有效的可量化对比参数，故而铲刀形状设计尚未建立较为系统且具有规律和特征的设计方法。因此，在大量研究中，为了简化研究方法，诸多研究人员通常采用平面铲刀为作业工具开展相关理论分析和试验研究[13-14]。

但无论是Ⅰ型铲刀还是C型铲刀，在推运过程中，铲刀刃缘对土壤的破坏起着至关重要的作用。相同铲刀的刃缘位置发生变化，会显著影响土壤推运过程的工作阻力[15]。以Ⅰ型铲刀为例，针对特定物理特性的土壤，当推运速度v和铲刀宽度w确定时，在一定作业深度d下，作业倾角α是影响土壤推运工作阻力的唯一因素[8]。而Ⅰ型铲刀作业倾角α的改变意味着铲刀刃缘位置的改变，以作业倾角90°时的刃缘位置为比较对象，当作业倾角α不断减小时，铲刀刃缘位置不断前移。对C型铲刀而言，不同铲刀的差异主要体现在几何外形上，当铲刀曲面的几何外形发生变化时，其铲刀刃缘位置也会发生相应变化。通过上述分析可知，当不同铲刀在几何外形上存在差异时，可以将铲刀刃缘位置作为一个量化参数来比较不同形状铲刀工作阻力的大小。

笔者以Ⅰ型铲刀和C型铲刀为作业工具，以砂土为推运作业介质，引入不同形状铲刀刃缘位置相同的概念，并将刃缘位置量化后视为比较参数；针对给定的2种铲刀共确定了4个相同的刃缘位置，在120 mm和150 mm 2种作业深度下，开展了土壤推运试验研究；以刃缘位置相同为比较前提，对2种铲刀在不同作业深度下的工作阻力进行比较，从而判断铲刀形状对土壤推运作业过程的有益影响，同时对不同形状铲刀的推运作业效果进行了评价。

1 推运理论

土壤推运作业过程的工作阻力变化可以分为两个阶段：首先是工作阻力逐渐增加阶段，而后是工作阻力趋于稳定后的平稳推运阶段。图1为Ⅰ型铲刀和C型铲刀在平稳推运阶段对土壤推运作业的一个瞬时状态。假设2种铲刀推运作业的土堆轮廓线相同；h为铲刀与推运土壤的触土高度；d为作业深度；α1为Ⅰ型铲刀的作业倾角；α2为C型铲刀的作业倾角；图1中，土壤作业深度内的两条斜曲线分别为Ⅰ型铲刀和C型铲刀对土壤推运作业的失效面。

图1 土壤推运过程Fig. 1 Process of soil bulldozing

一般而言，在Ⅰ型铲刀对土壤进行推运作业过程中，进入平稳推运阶段后，当作业倾角α1减小，工作阻力随着作业倾角α1的减小而减小，且土壤破坏的失效面会随作业倾角α1的减小而后移[16]。对C型铲刀而言，当铲刀刃缘位置与Ⅰ型铲刀相同时，由于几何形状的原因，C型铲刀的作业倾角α2小于Ⅰ型铲刀的作业倾角α1，因此，C型铲刀土壤破坏的失效面相对于Ⅰ型铲刀也是后移的(见图1)。此时，可以以刃缘位置相同为比较前提，对Ⅰ型铲刀和C型铲刀的工作阻力进行对比，建立不同形状铲刀之间工作阻力对比的可量化参数。

2 试验过程

2.1 铲刀结构

试验用铲刀结构如图2。图2(a)为Ⅰ型铲刀，其中，L和L1分别为铲刀长度和刃缘位置，mm，作业倾角α是影响Ⅰ型铲刀工作阻力的主要因素，这三者之间的关系见式(1)：

L1=L·cosα

(1)

图2(b)为C型铲刀，该铲刀曲面为圆弧状，且圆弧半径为450 mm，其中，L2表示C型铲刀的刃缘位置，mm。当L1与L2相等时，可视为Ⅰ型铲刀和C型铲刀的刃缘位置相同。2种铲刀的宽度均设计为300 mm，研究表明，宽深比增加时，工作阻力呈缓慢增加的趋势，在一定范围内宽深比较大更有利于土壤推运。该实验铲刀的最小宽深比大于2，因此，在铲刀类型上属于宽板铲刀[17]。

图2 铲刀结构Fig. 2 Blade structure

当Ⅰ型铲刀对土壤进行推运作业时，其工作阻力随作业倾角α减小而减小。由此可知，作业倾角α不宜过大，因为其过大会导致工作阻力过大，但同时作业倾角也不能过小，过小则不能有效开展土壤推运作业，无法实现土壤推运的目的。因此，为了达到工程作业目的，根据实际情况，Ⅰ型铲刀的作业倾角α应保持在一定范围内，笔者分别选择80°、75°、70°和65°共4个作业倾角开展试验。

为了确保C型铲刀和Ⅰ型铲刀的刃缘位置相同，需要确定C型铲刀的刃缘位置。首先，按式(1)可得，Ⅰ型铲刀在4个作业倾角80°、75°、70°和65°下的刃缘位置L1分别约为87、129、171、211 mm。C型铲刀采用工装进行固定，该工装可以安装在车架上，是一个可以与C型铲刀圆弧面配合的槽型框架结构，C型铲刀沿配合面可以转动，图3给出了安装示意。先确定铲刀刃缘位置L2为87 mm时的铲刀安装位置，将工装和铲刀同时标记，并把标记位置设为零位。以此零位为起点，将铲刀依次沿逆时针方向旋转3个角度，便可得到C型铲刀与Ⅰ型铲刀刃缘前移距离相同的铲刀固定位置。

为了简化铲刀旋转方法，且在试验中具有可操作性，并使旋转后C型铲刀的位置更准确，采用作图法计算出3个旋转角度所对应的3段弧长C1、C2和C3。经计算测量，3段弧长的长度分别约为63、60、50 mm。在铲刀工装上标记零位，在C型铲刀上标记3个弧长的端点位置，通过依次旋转对齐，可以得到与Ⅰ型铲刀刃缘位置相同的C型铲刀的其余3个位置。

图3 C型铲刀的刃缘位置确定Fig. 3 Edge position determination of C-shape blade

2.2 试验过程

选择砂土为推运介质开展试验研究。该砂土在实验室环境自然阴干，含水量近似为零。对砂土进行随机密度测试，其平均密度约为1.52 g/cm3。经过土壤筛分试验得知，砂土最大粒径不超过5 mm，粒径大于0.5 mm的砂土颗粒约占砂土总质量的70%，不同粒径范围砂土占总质量百分比见表1。在完成每组土壤推运试验后，进行回填并人工压实，然后平整砂土，保证试验时砂土密度接近平均密度。

表1 砂土粒径分布Table 1 Size distribution of sand

推运试验在自行研制的牵引式土壤推运装置上进行，整体结构及主要部件如图4。试验装置长为6.0 m、宽为1.2 m、高为0.24 m，整体呈矩形结构，以电动葫芦为动力源，通过钢丝绳卷扬，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应力应变仪对数据进行记录和处理。Ⅰ型铲刀和C型铲刀在4种相同刃缘位置下，选择120、150 mm两种作业深度开展试验，推运速度为0.12 m/s。

3 试验结果

Ⅰ型铲刀和C型铲刀在4个刃缘位置和2种作业深度下，共完成16次土壤推运试验。根据Ⅰ型铲刀与C型铲刀刃缘位置相同的对应关系，将2种铲刀在相同作业深度下的推运试验结果视为一组，并将采集数据绘制在一个坐标系内，其中位移为横坐标，工作阻力为纵坐标，得到8组工作阻力随位移的变化曲线，如图5和图6。

图4 试验装置Fig. 4 Testing equipment

图5 刃缘相同条件下Ⅰ型和C型铲刀工作阻力曲线(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)

图6 刃缘相同条件下Ⅰ型和C型铲刀工作阻力曲线(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)

从试验结果可以看出，推运过程均经历了工作阻力逐渐增加和平稳推运两个阶段，仅有1次试验的位移小于4 m，但大于3.5 m，其余15次试验的位移均大于4 m。在工作阻力逐渐增加阶段，Ⅰ型铲刀工作阻力增加相对平缓，而C型铲刀工作阻力的增加速度相对较快；进入稳定推运阶段后，Ⅰ型铲刀在部分作业条件下推运过程具有一定波动，如图5(a)、图6(c)，而C型铲刀工作阻力变化相对平稳。此外，5组试验〔图5(b)、图5(c)、图5(d)、图6(a)和图6(d)〕在进入平稳推运阶段后的工作阻力比较接近，其中图5(b)和5(d)中曲线近乎重合；其余3组试验〔图5(a)、图6(b)和图6(c)〕在进入平稳推运阶段后，C型铲刀的工作阻力小于Ⅰ型铲刀。

4 对比分析

通过进一步计算平均工作阻力，对2种铲刀在相同刃缘位置下的试验结果进行对比。平均工作阻力是位移在2～4 m范围内工作阻力曲线数据的均值(位移小于4 m时按3.5 m计)。图7为Ⅰ型铲刀和C型铲刀在2种作业深度下且刃缘位置相同时的平均工作阻力对比。由图7(a)可知：在作业深度为120 mm条件下，当刃缘位置为87 mm时，2种铲刀的平均工作阻力差异不大，C型铲刀的平均工作阻力略小，比Ⅰ型铲刀小2.3%；当刃缘位置为129、171、211 mm时，C型铲刀的平均工作阻力相对较大，比Ⅰ型铲刀分别大3.3%、13.8%和2.0%。由图7(b)可知：在作业深度为150 mm条件下，当刃缘位置为87 、211 mm时，C型铲刀的平均工作阻力略大，比Ⅰ型铲刀分别大4.2%和3.3%；当刃缘位置为129、171 mm时，C型铲刀的平均工作阻力相对较小，比Ⅰ型铲刀分别小了8.0%和16.1%。

图7 两种铲刀平均工作阻力对比Fig. 7 Comparison of average working resistance for two blades

从以上对比分析可以看出，当刃缘位置为87mm时，也就是刃缘位置较小的情况下，2种铲刀的在不同作业深度下的工作阻力比较接近，最大误差为4.2%。这是由于当刃缘位置较小时，作业倾角相对较大，且C型铲刀在该刃缘位置下的作业倾角与Ⅰ型铲刀相差不大，因此，2种铲刀的工作阻力比较接近；而且从图7(b)还可以看出，C型铲刀在作业深度为150 mm时的工作阻力大于Ⅰ型铲刀，这与C型铲刀的几何外形会导致土壤推运体积增加有关，因此，C型铲刀在刃缘位置较小的情况下没有体现出对工作阻力的有益影响。

当刃缘位置为211 mm时，也就是刃缘位置较大的情况下，即作业倾角相对较小，2种铲刀在不同作业深度下的工作阻力也较为接近，最大误差仅为3.3%。此时，由于作业倾角相对较小，工作阻力也明显相对偏小，因此，铲刀对土壤的推运能力有所下降。但由于土壤的物理特性是确定的，铲刀在该刃缘位置下对土壤的剪切破坏作用力相差不大，导致铲刀对土壤的剪切作用力在总推运工作阻力中的占比增加。因此，刃缘位置较大时，C型铲刀也没有在推运作业中体现出明显的优势。

当刃缘位置为129 mm和171 mm时，该刃缘位置确定的作业倾角与实际铲刀比较接近。此时，2种铲刀在不同作业深度下的工作阻力呈现相反的变化结果：当作业深度为120 mm时，C型铲刀的工作阻力均比Ⅰ型铲刀大，最大增加了13.8%，也就是说Ⅰ型铲刀更有利于推运作业；作业深度为150 mm时，C型铲刀的工作阻力均比Ⅰ型铲刀小，最大减少了16.1%，即C型铲刀可以有效改善推运作业。这两种相反的对比结果与铲刀作业深度增加而导致的铲刀与推运土壤的触土高度h值增大有关。当作业深度较小时，触土高度h值较小，此时，在相同刃缘条件下Ⅰ型铲刀更有利于推运作业；当作业深度较大时，触土高度h值随之也会增大，此时，C型铲刀的曲面结构更有利于土壤的流动，从而与Ⅰ型铲刀相比，其工作阻力得到了有效改善。因此，作业深度较小时，可以采用结构简单的Ⅰ型铲刀进行土壤推运作业；当作业深度较大时，需要考虑铲刀形状的结构设计，采用带有C型曲面的复杂特征结构铲刀可以实现改善工作阻力的目的。

5 结 论

1) 针对Ⅰ型和C型2种不同几何外形的铲刀，以4个相同刃缘位置为比较前提，分别在2种作业深度下，开展了土壤推运对比试验。

2) 当刃缘位置相对较小或较大时，2种铲刀的工作阻力比较接近，这表明当刃缘位置较小或较大时铲刀形状对工作阻力的影响不大。

3) 当刃缘位置确定的作业倾角与实际铲刀相近时，在不同作业深度下，铲刀形状对工作阻力产生了明显的影响。深度较小时，Ⅰ型铲刀更有利于推运作业；深度较大时，C型铲刀的工作阻力相对更小，因此，铲刀形状设计需要考虑作业深度的影响。

4) 由于刃缘位置会影响铲刀推运作业的工作阻力，针对不同几何外形的铲刀，可以以刃缘位置为量化参数对工作阻力进行比较。