基于离散元方法的平地机铲刀工作性能研究

作为铲土运输工作中最重要的工程机械之一，平地机在农耕田地、建设筑路工地、机场等一些需大范围平整作业场所都得到广泛应用。铲刀则是平地机最重要的工作装置，鉴于岩土结构的复杂性，以及铲刀受力的不均匀性，铲刀很容易磨损，所以，在不同地质条件下对铲刀受力进行研究是很有必要的。本文首先利用分块式建模来分析工作过程中铲刀的载荷分布状况，初步优化铲刀结构，然后采用正交模拟分析方法，选取铲刀切削速度、铲刀形状、切削深度、切削角度作为分析因素，寻求最合理的铲刀形状和工作参数组合，以此为基准指导平地机铲刀实际设计，本文的主要研究内容如下： 1.介绍铲刀的组成以及铲刀工作过程中相关参数，为后面正交分析试验的因素、水平的选取做准备。 2.建立平地机工作介质模型。论文采用砂土以及石块作为平地机的工作介质，并在DEM环境下分别选择Hertz-Mindlin和BPM模型建立其颗粒接触模型。采用直接剪切法标定砂土模型的宏观参数，并通过测定自然坡度角来验证模型的准确性，利用单轴压缩方法标定岩石BPM键微观参数。通过以上参数建立砂土与岩石模型，为下一步平地机仿真做准备。 3.通过分析铲刀受力分布状况，为铲刀的结构设计提供依据。首先将铲刀进行分块式处理，建立铲刀分块模型以及砂土工作介质模型，在DEM环境中完成砂土工况的模拟仿真。仿真研究表明：铲刀面上部受力呈抛物线规律分布，铲刀面中部受力基本上在同一水平线上，铲刀面下部由于在底部和底部两侧受到切削土壤阻力的影响，其两侧铲刀块的受力明显高于中间铲刀块的受力。因此为节省材料，将铲刀模型设计成上部分中间高两边低，两端侧刀有加强板，底部有加强筋。 4.分析平地机铲刀切削速度、切削深度、铲刀圆弧半径以及切削角四个因素对其工作时所受的切削阻力的影响，在完成铲刀模型以及岩石工作介质模型的基础上，通过正交试验法得到各因素对铲刀工作阻力的影响程度，并得到最优的铲刀几何参数和工作参数。研究结果表明：各因素对铲刀作业阻力的影响显著性水平大小依次为切削深度、切削速度、圆弧半径、切削角，且四个影响因素所占比重依次为35.6%、29.8%、18.2%、16.4%。随着行驶速度的增大，铲刀所受到的外界冲击力也就随之增大；切削深度不断增大，铲刀受力也相应增加；切削角度在40°左右铲刀受力较小；当铲刀圆弧半径R为413mm时，铲刀受力最小，这为优化铲刀圆弧半径提供依据。