液壓挖掘機振動掘削機理研究

1、液壓挖掘機振動掘削機理研究*趙崇友(中南大學(xué)機電工程學(xué)院智能機械研究所,湖南長沙410083摘要本文主要討論了液壓挖掘機利用鏟斗實現(xiàn)振動挖掘的機理,并在挖掘機上做了振動切削土壤的實驗,根據(jù)實驗結(jié)果,分析了振動減阻的機理。振動使土壤的抗剪強度下降是切削阻力下降的主要原因,同時,鏟斗與土壤間摩擦力和粘附力下降,也是切削阻力下降的原因之一。關(guān)鍵詞挖掘機振動掘削機理土壤切削抗剪強度the Reseach on Mechanism of Vibrating excavationin Hydraulic ExcavatorAbstract: In this paper , the method of vi

2、brating excavation using the bucket is mainly introduced, and the experiment of soil cutting is carried out; the mechanism of cutting resistence deducing is analyzed according to the results. The main reason is that the cutting intension of soil reduced due to vibrating, and another one is the deduc

3、ing of friction between bucket and soil. Keywords excavator; vibrating excavation; mechanism; soil cutting; cutting intension0引言盡管將振動應(yīng)用到難切削金屬材料的加工、農(nóng)機耕作以及巖石破碎1等方面在國內(nèi)外都有研究,但將振動應(yīng)用到液壓鏟裝機械上的研究在國內(nèi)還很少,象吉林工業(yè)大學(xué)2所進行的振動鏟裝研究也還只是停留在實驗研究上,沒有對振動掘削的機理進行深入的理論分析,也沒有對系統(tǒng)的實現(xiàn)方法進行全面的探討。并且在已有的研究中,均需要對現(xiàn)有的機構(gòu)進行改造以產(chǎn)生沖擊或者振動,這涉及

4、對現(xiàn)有機構(gòu)進行改造及附加振動發(fā)生器,因此,這些研究都有著一定的局限性,嚴(yán)重阻礙了振動掘削理論在鏟裝機械上的廣泛應(yīng)用。將振動理論應(yīng)用到掘削過程中可以大幅度降低能耗,提高工作效率,這已被廣大研究人員所認(rèn)可。因此,液壓挖掘機的振動掘削技術(shù)已進入到一個新的發(fā)展時期,振動掘削巖土技術(shù)已成為挖掘機自動化與智能化的發(fā)展趨勢。1激振系統(tǒng)一般來說,實現(xiàn)挖掘機工作裝置振動的方法有兩類,一是對工作裝置的結(jié)構(gòu)進行改造;一是通過系統(tǒng)控制來實現(xiàn)。因為挖掘機結(jié)構(gòu)相對比較成熟,并且如果通過對機構(gòu)進行改造以產(chǎn)生所需的振動,這就需要對現(xiàn)有的工作機構(gòu)進行變更及附加振動器,因此這種方法的應(yīng)用具有較大的局限性。液壓挖掘機工作機構(gòu)是由液

5、壓傳動提供動力的,具備了采用液壓振動的基本條件,故提出了將挖掘機的鏟斗油缸作為鏟斗振動插入的振動元件3,通過控制鏟斗油缸往復(fù)運動的位移及換向頻率達到對鏟斗實施激振的目的的方案。這樣可避免在工作機構(gòu)上附加任何構(gòu)件,只需對工作機構(gòu)液壓系統(tǒng)進行改造,使鏟斗油缸兼有激振功能,又不影響正常的鏟斗動作,這將是一個非常理想的方案。課題來源:國家863項目-挖掘機的機電一體化及制造信息化(編號2003A A430200作者簡介:趙崇友(1981-,男,中南大學(xué)機電工程學(xué)院,碩士研究生 電液比例控制鏟斗油缸系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。工作裝置控制手柄是系統(tǒng)中的輸入信號,隨著手柄位置的變化,輸出相應(yīng)的電信號,由控

6、制器將信號放大并驅(qū)動相應(yīng)的比例電磁鐵,從而控制電液比例減壓閥輸出相應(yīng)的控制壓力,控制主換向閥閥芯的位移。為了實現(xiàn)鏟斗的振動,我們在手柄上設(shè)置一激振按鈕,該按鈕的功能是在手柄信號上疊加一正弦信號。如圖2。要改變挖掘速度,只要改變階躍信號的幅值即可;要改變激振頻率,只要改變正弦信號的頻率;要改變激振的振幅,只要改變正弦信號的振幅。2土壤切削實驗1 實驗條件實驗在液壓履帶式挖掘機上進行,為了對比振動切削與靜態(tài)切削切削阻力隨時間變化情況,切削角40=o ,切削速度0.95/v m h =,切削深度0.3h m =。2 實驗結(jié)果分析由于切削土壤的速度不同,在切削土壤過程中切削力的變化形式也不相同,對于切

7、削速度比較慢的靜態(tài)切削來說其切削土壤過程中切削力的變化如圖3所示。從圖中我們可以看出,當(dāng)?shù)毒吲c土壤接觸后,由于土壤具有一定強度,當(dāng)切削力沒有達到土壤的強度極限時,土壤在切削力的作用下產(chǎn)生變形,同時切削力逐漸升高;當(dāng)切削力達到土壤的強度極限后,土壤開始被破壞,切削力不再增加,當(dāng)整個土塊被破壞后,切削力迅速下降。振動切削土壤時切削力的變化與靜態(tài)切削時不大相同,動態(tài)切削土壤時,加載速度較快,當(dāng)?shù)毒吲c土壤接觸后,載荷迅速上升,以致于土壤來不及變形,就被刀具破壞了,其切削力在切削過程中的變化如圖4所示。3振動使切削阻力下降原理分析土的切削是一個很復(fù)雜的過程。土在鏟斗楔形刀具的壓力作用下受到擠壓和剪切而開

8、始變形,當(dāng)壓力繼續(xù)增大,土體的原始結(jié)構(gòu)被破壞,土塊或土層便被切離。此時,產(chǎn)生了土體松散與擠壓兩個現(xiàn)象,土粒與土粒、土塊與土塊、土與鏟斗之間產(chǎn)生了摩擦而形成阻力。故土的切削時,鏟斗插入阻力由鏟斗前切削刃阻力、斗底內(nèi)外表面的摩擦力與粘附力組成。本文認(rèn)為前切削刃阻力是切削刃插入土體,使土體剪切破壞而流動產(chǎn)生的反力。大量的工程實踐和室內(nèi)試驗4都表明:土的破壞大多數(shù)是剪切破壞。這是因為土顆粒自身的強度遠大于顆粒間的連接強度,在外力作用下,土中的顆粒沿接觸處互相錯動而發(fā)生剪切破壞。3.1振動對土壤強度的影響由于振動加載時外部作用力在極短的時間內(nèi)有著很大的變化幅度,其作用力在瞬間就可能由零增加到很大,而普通

9、加載時外部作用力的變化很小,屬于慢速加載的過程。為了了解振動對抗剪強度的影響,我們可以在直剪實驗儀上進行直剪實驗,按加荷速率的不同,分為快剪和慢剪兩種,它們分別代表了振動加載和普通加載兩種情況。1快剪豎向應(yīng)力加載后,立即進行剪切,剪切速率要快。2慢剪豎向應(yīng)力加載后,允許試樣排水固結(jié)。待試樣固結(jié)完成后,施加水平剪應(yīng)力,剪切速率放慢,使試樣在剪切過程中有充分的時間產(chǎn)生體積變形和排水。圖5是直剪實驗得到的抗剪強度曲線。試驗結(jié)果:在豎向應(yīng)力和剪應(yīng)力作用下,土樣都有一定的壓縮,一般情況下,快剪所得的值較小,快剪的抗剪強度較小,慢剪所得的值較大,慢剪的抗剪強度比較大。由此,我們可以得出重要結(jié)論:在振動掘削

10、狀態(tài)下,由于振動使得摩擦角減小,使得土壤得抗剪強度下降,土壤在低于抗剪強度的情況下便已經(jīng)破壞。根據(jù)庫倫定律,土壤與鏟刀間的切向阻力為(f F A C tg =+式中:A 為兩者間的接觸面積;C 為兩者間的粘附力;為兩者間的正壓力;為兩者間的摩擦角。顯然,在振動掘削情況下,切削阻力得到降低。3.2摩擦力和粘附力減小鏟斗不振動時斗底受土體作用,形成摩擦和粘附力,鏟斗振動后,土體被鏟刃開出一條比鏟斗厚度大的一條縫,鏟斗沿這條縫深入,使斗底表面幾乎沒有土的作用,因而斗底幾乎沒有摩擦力和粘附力產(chǎn)生的作用,斗底上表面 也會因為土的壓力底,而摩擦力相應(yīng)減小。 3.3庫倫定律根據(jù)庫倫定律,土壤與鏟刀間的切向阻

11、力為(f F A C tg =+式中:A 為兩者間的接觸面積;C 為兩者間的粘附力;為兩者間的正壓力;為兩者間 的摩擦角。顯然,在振動掘削情況下,切削阻力得到降低。4結(jié)論本文提出了通過控制鏟斗油缸來實現(xiàn)振動掘削的激振方案,通過控制鏟斗油缸往復(fù)運動的位移及換向頻率達到對鏟斗實施激振的目的。并對進行了土壤切削實驗,結(jié)果表明,振動掘削相對于靜態(tài)掘削切削阻力有了明顯降低。通過對實驗結(jié)果分析,得出了振動使土壤抗剪強度下降是切削阻力下降的主要原因,同時,鏟斗與土壤間摩擦力和粘附力下降,也是切削阻力下降的原因之一。參考文獻:1T.M u r o,D.T.T r a n.R e g r e s s i o na n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fv i b r a t o r yc u t t i n gb l ad ef o rt u f f a ce o u sr o