土壤切削
- 格式：doc
- 大小：515.00 KB
- 文档页数：15
１.7 土壤的性质和土壤切削
挖掘机械的作业对象主要是土壤。在设计、研究和使用挖掘机时，切削（挖掘）土壤的方法、切削的过程和切削的土量、切削过程中土对挖掘刀具所产生的物理和力学关系、以及降低挖掘阻力的途径等等，是确定挖掘机械的结构型式、受力状况、动力消耗、和制定作业规范的主要因数之一。因此需要对土壤的属性和切削土壤的机理具有一定的基本知识。
１.7.１土壤的工程分类
各地区的土壤情况千差万别，甚至同一地区不同地点、或同一地点不同深度的土质也有变化。这就涉及对土壤的类别和性质进行区分，从而对不同的土质采取不同的开挖方法和开挖机具，以达到降低施工成本和缩短施工周期的目的。
2009年，我国公布了土壤分类与代码的国家标准，用于土壤信息标识。但是，对于工程用土的分类方法与土的室内分类方法尚不统一。这是由于各种施工工程的特点不同，各工程对土壤的某些工程性质着重点和要求不同所造成的。
对于挖掘机械来说，通常将土壤和岩石按照开挖难易程度划分为十六级
2 的（普氏）分类法（表1.7—1）。其中Ⅳ级及以下的土壤和部分Ⅴ级内的软岩，可以用机械直接开挖。Ⅴ级以上的岩石，需要借助于爆破、破碎等方法开挖。
设计和使用挖掘机械时，需了解和掌握以下土壤的性质：
1.土壤的容重γ和松散系数Ks
单位体积土壤的重量称为土壤的容积重量，简称容重（γ）。物体的重量就是物体受到的重力，容重的单位是以力和体积的单位表示，为 N／m³或KN/m³。同一物体的重力随地球上纬度不同、离地高度和海拔高度不同，在数值上有区别，因此同一土壤在不同地点的容重是一个变数。但是由于数值上差别不大，可按恒定取值（表1.7—1）。按规范，物重应以物体质量表示，所以也有用“单位体积土壤的质量（容积质量）”来表示容重，其单位是㎏/m³。两者单位换算是9.81（≈10）倍的关系。
容重分为实土容重（γ）和松土容重（γs）.两者的关系以松散系数ks 表示。松土体积Vs与实土体积V的比值称为松散系数ks（表1.7—1） ：
Vs γ
3 Ks ＝ ------ ＝ -------- ＞1
V γs
土方施工的工程土方量是通过被挖掘场地的挖前挖后地形测量，按照自然实土体积计算出挖掘量。并以此作为计算工程量、工程进度和施工成本的依据；但是运输车辆的运输量要按照松土体积来计算。以此确定挖掘机械的生产运输能力、单位油料消耗量、所需要的运输车辆的规格和数量，计算使用费用和安排生产计划等。设计通用型液压挖掘机时，挖掘物料一般取为三级土壤，容重γ＝18000 N／m³，Ks ＝1.3。
2.自然静止角Φ
松散的土壤从高处倾卸下来形成土堆时，自然形成的土堆坡面与水平投影面的夹角（坡角）称为自然静止角（又称为自然坡角或安息角）（表1.7—2）。自然静止角Φ的大小决定于土壤的种类和含水量等因数。一般用“度”表示，或者用土堆水平投影长度与垂直高度的比值来表示。
了解自然静止角可以合理安排土堆距离沟边的位置，或者在料场的存料堆放情况，对作业辅助场地合理规划等等。
3.土壤的内摩擦系数μ1和土对钢表面的摩擦系数μ（表1.7—3）。
4 挖掘土壤的过程中在挖掘机的铲斗上会产生土对土的摩擦力和土对铲斗侧壁和斗底的摩擦力，计算挖掘阻力要用到这两个系数。
4.抗陷系数P0和最大容许比压Pmax
轮式或履带式机械在地面上停止或行驶，使地面土壤产生沉陷并压实。使地面沉陷1cm所需的比压力P(kpa)为土壤的沉陷系数P0(kpa/cm)。
地面的沉陷量h :
P
h ＝ ——— ( cm )
P0
地面是挖掘机的支撑点，如果地面的极限承载能力被破坏，会使挖掘机发生急剧沉陷，使挖掘机不能正常行驶，甚至有可能发生机体倾翻的危险。为此，不同的土壤通过试验都标示有最大容许比压力Pmax(kPa)。轮式挖掘机作业时，对行走装置加装支腿来增加接地面积减少比压；履带式挖掘机可通过加长加宽履带或者采用三角形履带板增加接地面积以减少比压等。P0和Pmax值列于表1.7—4中。
5 1.7.2 切削装置的基本形式和主要参数
土壤切削装置有两种基本形式：刀型装置和斗型装置（图1.7—1）。
图：1.7-1 切削装置的基本形式
a) 刀形装置 b） 斗形装置
刀型装置是具有各种形状和尺寸的刀具（图1.7—1a）。刀具用楔形切削刃切削土壤，切下的碎土屑堆积在刀具前，在刀具向前推移力的作用下进行运输土屑。例如：铲、犁、推土板、钻孔螺旋刀盘等。刀具的主要参数是：
6 切削刃的角度参数：切削角γ、刃角θ和后角γ1 ；
刀具的几何参数：长度L或直径D、高度H、刀面的曲率半径r等。
斗型装置是由斗唇、斗侧壁和斗底组成的各种形状铲斗（图1.7—1b）。斗唇上可装有斗齿、或是无齿的弧形切削刃。铲斗用斗唇切削土壤，在切削过程中同时将切下的土屑装入斗内，铲斗装满后举升离开挖掘面，将土卸到弃土堆或运输车辆上。例如：挖掘机和装载机的铲斗等。斗型装置的主要参数是：
角度参数：切削角γ、刃角θ和后角γ1；
几何参数：斗高H、斗宽B、斗长度L、斗容量q、对于圆弧形铲斗还有弧形斗唇的曲率半径r,斗唇上加装斗齿的齿间距a和齿宽b等。
1.7.3 土壤切削过程
用刀型或斗型装置的切削刃在土基体上运动、切入土体并切下土屑的过程叫做土壤切削。
以下用平楔刃切削的过程来说明：有刃角φ的楔形切削刃在切削力的作用下切入土体，使土体受到挤压和剪切变形，土体的原始结构被破坏，产生土屑并被切离下来。切下的土屑体积松散，部分土屑被压缩，随切削刃的推
7 进而沿切削刃表面移动。土屑之间产生的相对运动和土屑沿切削刃的移动，都将产生摩擦阻力。这种阻力称作为切削阻力，其基本组成是：（1）.土体原始结构的破坏阻力；（2）.土屑之间的内摩擦阻力；（3）.土屑对切削刃表面的摩擦阻力。在切削的过程中这三种阻力很难区分开。
假定：用尖锐的平楔刃切削；土体均质；切削刃在切削时对土体无挤压作用；楔刃底CA面对土无摩擦；土体在楔刃的作用下沿破裂角ψ断裂，并沿楔面CB移动。（图1.7—2）当楔刃切入土体时，土体对楔面作用有法向阻力Fn和摩擦阻力Fｎ·tgφ。于是，总阻力Fw是Ｆｎ和Ｆｎ·tgφ的合力：
Ｆｎ
Fw ＝ —————
cosφ
式中：φ —土对楔刃的摩擦角。
总阻力Fw的水平分力Fw1（又称切向分力）：
Fn
8 Fw1＝————·cos(90°－γ－φ)
cosφ
Fn
＝————·sin(γ+φ)
cosφ
总阻力Fw的垂直分力Fw2 (又称法向分力)：
Fn
Fw2 ＝———·cos(γ+φ)
cosφ
两力的关系是：
Fw2
———＝ ctg(γ+φ)
Fw1
此时相当于切削角γ增加到φ，总阻力Fw将垂直于楔角为（γ+φ）的假想
9 楔刃面上。
图：1.7-2楔刃切削土体的受力分析
土体在楔刃的作用下，产生剪切和挤压应力并发生变形（图1.7—3）。假定：总阻力Fw＝Fn/cosφ,假想的楔角γ'＝γ+φ ，切屑宽度b等于楔刃宽度，切屑厚度为h。在破裂角ψ平面CD上，总阻力Fw可以分解为与CD面平行的切向分力F1和垂直的法向分力F2。
CD面的断面面积为A＝bh/sinψ.于是：
F1＝Fw·sin[90°－(γ'+ψ)] ＝Fw·cos(γ'+ψ)
F2＝Fw·cos[90°－(γ'+ψ)] ＝Fw·sin (γ'+ψ)
若σ为法向应力（正应力），τ为切向应力（切应力），则：
10 τ·bh
F1＝τ·A ＝————
sinψ
σ·bh
F2＝σ·A ＝————
cosψ
由此： Fn
法向应力 σ ＝————·cos (γ'+ψ) sinψ
bh·cosφ
Fn
切向应力 τ ＝————·sin(γ'+ψ) sinψ
bh·cosφ
11
图：1.7-3平楔刃作用力分析
1.7.4 土壤的切削阻力和挖掘阻力、切削比阻力和挖掘比阻力
土壤切削研究主要是在土切试验研究室内进行，有着各种各样的试验方法和不同的结果。研究者提出了多种多样的土切阻力Fw1的表达式，试图以各种各样的系数值表达出切削过程的内涵关系和物理实质。这些表达式既复杂又不实用，都有其各自的特定条件。设计中最常应用的是引入了切削比阻力k的慨念，采用最简单的切向阻力Fw1计算式：
Fw1＝ kbh (N)
式中：k—切削比阻力（N/cm2 ）
12 B—切屑宽度（cm）
H—切屑厚度（cm）
切削比阻力k是作用于土屑单位面积上的切削阻力，又称为“单位切削阻力”。对于同一种土壤k值也不尽相同，与土质、试验刀具的几何形状等有关。但是为了方便，一般将影响忽略不计，k值被看做为常数，因此便于计算时应用。(参见表1.7—1)
切削装置工作时，除切向阻力Fw1以外，还有法向阻力Fw2。如前所述 ，两者的关系为：
Fw2
———＝ ctg(γ+φ)
Fw1
Fw2＝Fw1·ctg(γ+φ) ＝ ξ·Fw1
式中：ξ—法向分力与切向分力的比例系数。。
对于斗形工作装置 ，挖土时除切削土体外，还要将切下的土屑装入斗中。这时在土屑与土屑之间、土屑与斗侧壁和斗底之间，皆产生摩擦阻力。切削阻力、装斗阻力和土屑在斗前的推移阻力，用实验方法很难区别开来。
13 同样有着引用各种各样的系数来对挖掘阻力Fw1的表达式。但是，设计中最常用的简化式是：
Fw1＝k0 bh （N）
式中： k0— 挖掘比阻力（N/cm2）
b— 铲斗切下土屑的宽度（cm）
h— 铲斗切下土屑的厚度（cm）
挖掘比阻力 k0是斗形挖掘装置每斗挖下土屑单位面积上的挖掘阻力，又称“单位挖掘阻力”。它是试验的综合值，视土壤性质、挖斗形状、挖掘断面的宽度与深度、以及铲斗运动的轨迹等而定。对同种土壤将影响因数忽略不计，k0值近似看作为常数，以便于计算时应用。表1.7—5列出实验所得的 k0值。如果斗容量小于0.5 m³，k0值需增大；如果斗容量大于3 m³， k0值可减小5%～15%。对于圆弧形切削刃的铲斗，拉铲斗的k0值可减小20%～30&；正铲斗和反铲斗减小10%～20%。
