铲土运输机械设计土的切削理论.docx
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铲土运输机械设计土的切削理论
铲土运输机械设计讲义
河北工程大学孙振军编
绪论
一、铲土运输机械的组成、用途及其在国民经济建设中的地位
铲土运输机械主要包括推土机、装载机、铲运机、平地机和运土车等几个重要机种，是工程机械中用途最广泛的一个大类。
它们可以用来铲装、运输、平整和堆挖土方、石方及各种散装物料。
这些机械在国内、外被广泛地应用于民用建筑、水电建设、道路建筑、机场修建、矿山开采、码头建设、农田改良及国防建设等。
在作业条件恶劣、人烟稀少、物力不足的高原、沙漠、沼泽地带和高寒地区等地，采用这些机械，有利于减少劳力、提高生产率、加快建设速度。
总之，铲土运输机械与国家的经济建设和国防建设、人民的生活都有着密切关系。
因此它们在国民经济建设中的作用和地位越来越被人们所重视，并得到了迅速的发展。
二、铲土运输机械的发展概况与发展趋势
铲土运输机械是因工程建设的需要而发展起来的，最早使用蒸汽机作为动力，用钢丝绳或其它机械零件作为工作装置的传动元件，目前动力方面已普遍采用汽油机或柴油机，钢丝绳亦采用液压操纵代替，铲土运输机械的构造和操纵方法已日趋完善和现代化。
目前铲土运输机械的动力，大多仍采用柴油机为动力，并且为了适应各种需要，对柴油机的降澡减排、减少振动进行了大量的深入研究，在高寒地区的低温起动和防冻措施，在热带地区的散热及输出功率的降低，在沙漠地带的防尘，在高山地区功率的提高等课题研究方面取得了大量的研究成果。
底盘方面也已成功研究了在沼泽地带、水下作业的履带和底盘构造，具有防滑措施和效率更高的差速装置、制动装置、防冻橡胶、以及防止钢材的低温脆性断裂等。
这些研究的成功，进一步扩大了铲土运输机械的使用范围。
铲土运输机械今后发展的趋势如下：
1.向两极发展为了满足巨大工程的需要，铲土运输机械正在向大型化发展，单位重量的功率越来越高，以提高作业效率，加快工程进度及降低生产成本；同时为了适应城市建设和环境维护等工程的要求，常需设计小巧、灵活、机动的机种，因此铲土运输机械也向小型化发展。
2.广泛采用新技术，提高自动化程度在铲土运输机械上应用电子和激光技术、计算机和通讯技术，今后自动控制和无人驾驶将在铲土运输机械上获得广泛的应用，尤其是在危险、有害气体和高温场地作业的机械。
3.提高可靠性和耐用性铲土运输机械作业条件比较恶劣，负荷性质特殊，超载和冲击等情况时常出现，因此铲土运输机械的零部件除在室内反复进行疲劳试验和冲击试验外，还必须做各种气候条件下较长时间的现场实验，以确保产品的可靠性和耐用性．
4.改善操纵性、提高舒适性改善操纵性，增加驾驶员的舒适性，减轻劳动强度是铲土运输机械发展的重要方面，它也是提高机械的生产效率的一个有力措施。
例如借助于液压、电气和压缩空气等增力装置使操纵省力。
驾驶室设置供暖降温设备，座椅的高低前后均可调整，以增加驾驶员的舒适性。
总之铲土运输机械是向大功率、高速度、高效率，低公害、自动化程度高、能量消耗少、使用周期长、安全舒适等方面发展。
三、铲土运输机械的使用性能
铲土运输机械使用性能的好坏，是检验设计是否正确的唯一标准，对铲土运输机械来讲，其整机使用性能主要包括：
牵引性、动力性、机动性、稳定性和经济性等。
1、牵引性
铲土运输机械的牵引性，是反映在各种作业速度下能够发出的最大牵引力的性能。
牵引性直接影响着这些机械的作业能力与作业效率。
牵引性能的好坏，是用牵引功率和牵引效率来评价的，它表明了铲土运输机械工作时发动机功率利用的有效程度，是重要的一个使用性能指标。
2、动力性动力性是反映铲土运输机械以不同档位行驶时，所具有的加速性能，以及所能达到的最大行驶速度和爬坡能力。
动力性的指标用动力因素来评价。
动力性直接影响着铲土运输机械的生产效率。
3、机动性机动性是反映铲土运输机械的直线行驶的稳定性和狭窄场地转向和通过的能力。
机动性与操纵有很大的关系，操纵性以最小转向半径来评价。
机动性影响铲土运输机械的适用程度。
4、作业安全性
1）稳定性：
稳定性是表明铲土运输机械作业或在坡道上行驶时抵抗纵向和横向倾翻和滑移的性能。
铲土运输机械的稳定性用稳定度来评价。
2）制动性：
制动性反映铲土运输机械在各种行驶速度下停车的能力。
主要以制动距离来评价。
5、经济性经济性是表示铲土运输机械在作业过程中燃料消耗是否经济合理的性能。
经济性通常用两个指标来评价。
一个是发动机额定比油耗，即每千瓦小时所消耗燃料的克数，这个指标可以用来比较相同机种不同型号机器经济性的好坏；另一个是发动机额定小时燃油耗，即发动机每小时所消耗燃料的千克数，这个指标可以用来核算作业成本，由于它包含着使用中各种因素的影响，因此不能作为评价不同型号机械经济性能好坏的指标。
上述整机的各种使用性能，是由总体设计和各总成部件的设计共同来保证的，它涉及到正确的选用发动机功率，合理地选择总体参数、传动、转向、制动、行走各系统及工作装置的结构型式，各总成的合理匹配和布置。
四、本课程与其他课程的关系和主要内容本课程是高等学校工程机械、筑路机械、建筑机械等专业方向的一门主要的专业课程。
它是在学习了基础课及内燃机、液压及液力传动、金属结构及工程机械底盘等专业基础课之后进行的后续课程。
本课程的主要内容有下列四部分。
1、土的切削理论介绍铲土运输机械与土的关系；土的物理机械特性；土力学的基本知识；土的破坏形式及其应力状态；挡土墙等土的切削理论方面的基本概念等。
学习这部分，可以为学习铲土运输机械设计，分析各种阻力的产生、大小、影响因素及计算方法打下基础。
功率，
2、铲土运输机械的牵引性能研究铲土运输机械运动时各种阻力的计算；驱动力和各阻力及驱动功率和各阻力所消耗的它们对应的相互之间的平衡关系；分析并确定传动系基本参数及其合理的匹配；介绍牵引特性和动力特性曲线的绘制方法，并通过这些特性曲线分析所设计的铲土运输机械的牵引性能、动力性能及燃料经济性。
3、铲±运输机械的总体设计研究铲土运输机械的作业方式，生产率的计算；确定铲土运输机械作业时各种阻力，确定总体参数并分析它对整机性能的影响，选择各总成的结构型式并进行合理的布置，进行总体受力分析，确定强度计算工况。
4、铲±运输机械工作装置设计介绍工作装置的结构类型；确定工作装置的主要参数和结构尺寸；介绍工作装置机构的设计；进行工作装置强度计算；介绍工作装置液压操纵系统。
通过学习使学生树立正确的设计思想，掌握总体设计与工作装置强度计算的要领，为毕业后从事工程机械研究与设计打下良好的基础。
五、铲土运输机械的设计方法与步骤铲土运输机械在批量生产以前，都要经过图纸设计、样机试制和试验鉴定三个阶段。
1、铲土运输机械的设计
铲土运输机械的设计程序大致如下：
1）研究设计任务，制定设计原则：
上级机关或使用部门根据工程建设的需要，提出新型铲土运输机械的设计任务，或根据现有机械的使用情况，提出改进设计。
设计部门根据设计任务书对作业场地和加工制造条件等进行深入细致的研究，征求使用部门的意见，在广泛深入调查的基础上确定机械的设计原则，即当各种使用性能发生矛盾时，应服从那一种使用性能等。
这样制定的设计原则是以后设计中确定各总成部件的结构和布置方案时的准则。
总之，在深入调查研究的基础上，吸取国内外的先进技术，并结合实际情况，发挥设计人员的经验和才能，制定出技术先进、使用性能良好、制造成本低、易于维修，经久耐用和竞争力强的设计方案。
设计任务书是选型的书面总结，是技术设计的指导性文件，其内容应包括：
机械的类型、主要参数、各总成结构型式，方案选择的依据，简要说明等。
2）草图设计。
在技术任务书确定之后，根据初步确定的轴距、轮距及各总成的结构型式进行草图设计。
草图设计要绘制传动系统和液压系统图，根据所确定的参数，参考同类型机械画出总体布置和各总成部件的草图，通过具体的布置，初步确定各总成的相互位置及固定方法。
在草图设计的基础上，利用初步估算的各部件的重量，计算重心位置，验算桥荷分配及压力中心初步确定轮胎及履带尺寸；根据自重、桥荷分配或压力中心及保证机械行驶和作出稳定性方面的要求，最后确定轴距、轮距或轨距和履带接地长度及宽度等。
然后进行牵引动力特性曲线的绘制，分析所设计机械的牵引性能、动力性能及经济性，并进行稳定性计算。
为了达到理想的效果，草图设计常常是多种方案同时进行，对这些方案进行全面的分析与比较，最后择优选取作为技术设计的依据。
3）技术设计：
技术设计包括整机总图和各总成部件图的设计，是草图设计的具体化。
根据总体布置草图绘制整机总图，在此图上确定与整机尺寸有关的各总成的主要尺寸，并提出对各总成尺寸重量方面的具体要求。
部件设计根据总体布置的要求和已确定的部件型式结合该部件的受力情况，使用特点及相关部件的尺寸等进行总成部件的总图设计，确定主要零件的结构尺寸。
各总成部件图设计完后，把它们据实画在总图上，进行仔细的校对和审查，解决部件与部件及部件与整机之间的矛盾，并对相对运动的零部件的运动轨迹进行校核，防止干涉。
在此过程中对牵引、制动、稳定及作业等性能进行详细的分析与计算，并对主要零件进行强度计算，分析和计算动力特性，以确定所设计机械的动力特性指标。
4）工作图设计。
工作图设计包括绘制全套的图纸，并编制全部技术文件，绘制工作图应使其在满足产品使用性能及质量要求的前提下，尽量简化零件的形状，降低技术要求，减少材料消耗，以降低制造成本。
在设计时要贯彻标准化，通用化和系列化，这样不仅使加工制造简化，便于组织批量生产，降低成本，而且给使用和维修配套来方便。
2、试制样机样机试制的目的是通过生产实践来验证和考察设计图纸的正确性。
其主要工作包括：
划分加工件，协作件和外购件；编制试制工艺文件；设计和制造试制所必须的工艺装备；进行零件加工和部件装配及总装。
3、试验鉴定样机试制出来后，要进行技术检查，全面检查零件的加工和部件的装配是否符合设计要求，检查合格后要按照国家规定进行长时间的工业性试验，以考察机器设计是否正确，结构性能是否先进。
在试验期间要作详细的记录，发现问题及时修正。
样机进行严格的试验后进行技术鉴定，以检查各机件性能有无改变是否达到设计要求以及磨损情况等。
如果样机鉴定认为满意，则可交付生产。
第1章土的切削理论
1.1土力学与铲土运输机械
铲土运输机械是指利用刀形或斗形切削装置在行走中铲掘、切削土石方，并能把所铲削的土石方运
送到一定距离自行卸掉的机械。
包括推土机、装载机、铲运机和运土机等机种。
也包括专门用于越野运输的自卸运输车辆。
铲土运输机械的作业对象：
通常是地表层的砂、粘土、土砂杂草碎石的堆积物、各种建筑垃圾以及可以铲装的各种石料等，除了大块岩石外，统称为“土”。
铲土运输机械与土的关系极为密切。
一方面是它们的行走机构（车轮或履带）与土的相互作用；另一方面是它们的工作装置（铲刀或铲斗）与土的相互作用。
例如图1-1所示推土机的作业情况说明了
这种关系：
土是推土机的作业对象；土又是推土机的支承物，推土机依靠土给它的反作用力（牵引力）
来加工土自己本身。
这种密切关系是设计铲土运输机械时所必须考虑的：
1）土要能够支持住机器，使它在作业过程中不下陷一一有良好的通过性；
2）车辆的行走机构在相应的路面上能够充分发挥出牵引力；
3）合理确定工作装置的结构及参数，以便尽可能降低土的切削阻力，以获得良好的作业效率，降低能源的消耗。
图1-1推土机作业时与土的关系
无论是铲刀还是铲斗，在它们与土的相互作用中，存在着复杂的受力关系和运动关系，并且两者之间相互影响。
工作装置是最能代表工程机械特征的典型部件，它们的性能如何，直接标志着该工程机械的作业效率和整机性能。
从铲土运输机械与土的密切关系可知，在铲土运输机械的研究与设计中，应当把机器与土的关系作为一个统一的整体来考虑。
在注重工程研究的基础上，还要对整个机器及部件形态方面进行深入研究。
工程研究主要涉及到热力学、燃烧学、应用力学、振动力学、流体力学、声学、材料、燃料、油料的物理化学性能、制造工艺、发动机、底盘和各部件及标准化等方面的研究。
整机及部件形态方面的研究主要涉及到土壤一车辆系统力学、土力学、流变学、土的参数测定法等。
1.2土的主要物理机械特性
在“土力学”中已经对土的特性做了比较深入的研究，其成果已广泛应用于建筑业中。
但是在“机
器一地面系统力学”中还不能完全照搬过来，因为无论是行走机构还是工作装置，对土的破坏过程与建筑物的地基对土的破坏过程完全不同，因此土的物理机械特性出现不同的结果。
“机器一地面系统”
作为一个学科，从另一种观点对土的特性加以研究。
但是在某些方面必须首先借鉴于“土力学”的理论和试验数据。
在这里不可能对土的各方面知识作全面的介绍，只能针对机器与土的相互作用过程中所涉及到的内容作简要介绍。
1.2.1土的物理机械特性
从土与机器之间的相互作用所涉及到的问题来看，土的物理机械特性主要是指土对机器的反作用
强度：
土抵抗外力作用而使其自身不发生破坏的能力。
土的机械强度如何，将决定一台铲土运输机械所遇到的铲掘阻力的大小，因而决定该机器在作业过程中能源消耗的多少，也决定着机械的结构重量、特征、零部件的强度和材质等。
此外，还决定着机器在一定路面上的通过性和牵引能力。
可见，强度确实是土的物理机械性能的一个重要方面。
影响土的强度的因素很多，如气候环境——风、光、温度、晴雨等因素影响着土的含水量、密实度以及颗粒组成……。
因此，准确地描述土的强度是十分困难的。
根据很多资料来看，土的强度变化范围甚广。
在一种土质条件下得到的结果，有时不能与在另一种土质条件下得到的结果进行比较。
即使是同一类型土质，所得到的结果往往也有较大差异，这就迫使我们要进行大量的土的研究工作。
变形：
在外力作用下土的形态和体积的改变。
土是由各种不同大小的颗粒所组成的，在颗粒之间存在着水、空气和其他杂质。
土在外力作用下，将因为排除间隙中的这些存在物而发生变形。
由于种种条件的限制，在同样外力的作用下，土的变形量可能很大，也可能很小。
如果外力不去掉，形状或体积将可能随时间的推移而不断变化。
这里要强调的是，单纯讨论土的变形，并不能充分说明土的物理机械性能，而抓住其应力—应变关系才是抓住事物的本质。
任何不以应力—应变关系为基础进行数学上的描述，都只能近似地阐明土的真实性能的某种表现。
因此，探讨和阐明应力—应变关系，并从而确定土的参数，是研究与铲土运输机械设计有关的土力学的一个重要领域。
如果土的应力—应变关系不确定，士的物理机械性能没有被清楚地加以认识，就失去了研究的意义。
土的应力—应变关系如图l-2所示。
它是在法向应力不变的情况下，剪切应力对应变所作的图。
三条曲线代表了性能的观察范围。
曲线A代表高度粘结干燥土或坚硬纯砂土的特性，这种类型的土有二个高强度峰值。
当反映高粘结力（土颗粒之间的内聚力）的粘结键破裂时，初始失效发生，继续测定则剪应力降低，降低了的剪应力反映出摩擦力的性质。
曲线B代表另一种极端，是松散而内聚力低的
土。
除了上述两种极端情况之外，大多数土的剪切特性都处于两者之间，可用曲线C表示其剪切特性。
试验曲线表示剪切应力达到一个明确的峰值（曲线A）或达到一个高平部分（曲线B），都可判断土
是否发生初始失效。
对于给定某种条件的土，在不同的法向应力状态下，可测得一系列剪应力值。
将土的初始失效的剪应力值对相应的法向应力作图，如图1-3所示，则是线性关系。
每种土
都有这样的一条线性关系，但它们的斜率可能各不相同。
而每条直线都在0处有其值（分别为CA、
Cc和Cb0）来表示该种土的内聚力C;每条线的斜率都表示该种土的内摩擦角（分别为A0、
B、C）。
可见，一条直线可用二个方程式表示：
ctan（1—1）
式中——剪切应力;
——法向应力;
C——内聚功;
——内摩擦角。
式（1-1）是土体抗剪强度的数学模型，其中参数C和是由剪切试验测得的量。
我们感兴趣的不仅
仅如此，还要知道土体在达到初始失效的剪切应力（即极限剪切应力）时，土体发生破坏时的规律，那就是在极限剪切应力状态产生滑移时滑移面的位置、方向及其与主应力之间的关系。
图1-2土的剪应力一应变关系
A—粘性土B—松散砂性土C—砂质粘土
图1-3土的极限剪应力
A—粘性土B—松散砂性土C—砂质粘土
根据土的应力一应变关系，大体上可将它分为三种类别。
其中的砂质粘土介于纯粘性土和纯砂性土之间，其砂质成分的含量又在较大范围内变动，因此其力学特性的变化范围也很广。
为了便于在研究和设计中考虑和应用，将它们分为多种级别，见表1-1。
表1-1各类土的切削比阻力
土的种类
Kb/MPa
砂、砂质土、中等湿度松散粘土、种植土
0.01~0.03
粘质土、中细砂粒、松散软粘土
0.03~0.06
密实粘土、中等粘土、松散粘土、软泥炭
0.06~0.13
具有碎石或卵石的粘土质、重湿粘土、中等坚头煤炭、有少量杂质的石砾堆积物
0.13~0.25
中等页岩、重干粘土、坚实而硬的粘土、软石膏
0.25~0.32
每种土的性能究竟如何，与下列因素密切相关：
土的颗粒大小组成及各种颗粒成分所占比例；
物理化学结合的因素；有机物质成分；含水量密实度；粘聚力及内摩擦角等。
这些因素及其术语也是今后经常要用到的，为此有必要对它们的基本概念作简要介绍。
1.2.2土的其他重要特性一一术语及概念
1.2.2.1土的粒度成分
土是由各种不同大小的颗粒所组成的。
按照颗粒的大小，土可以分为漂石、块石粒（粒径大于
200mm）,卵石、碎石粒（20~200mm）,砾石粒（2~20mm）,砂土质（0.05〜2mm）,粉土质（0.005〜0.05mm）,粘土质（小于0.005ram）。
土按其各种组成成分所占重量百分比，可分为砾石质土类、砂土类、亚砂土类、
粉土类、亚粘土类、粘土类等6种。
每一种土按其粒度成分，还可以进一步作出更为详细的分类（例如
砂土可以分为粗砂、中砂、细砂、极细砂、粉质砂土；亚粘土可分为轻亚粘土、重亚粘土等）。
土按粒
度成分的基本分类见表1-2。
表1-2土的分类（按颗粒含量所占重量百分比）
分类名称
分类指标
大于2mm
2~0.05mm
0.05~0.02mm
塑性指标1P
砾石质土
>10
-
-
-
砂土
v10
-
0~3
v1
亚砂土
v10
>50
3~10
1~7
粉土
v10
v50
3~10
1~7
亚粘土
v10
>40
10~30
7~17
粘土
v10
v50
>30
>17
1.222土的含水量
土的含水量形是土中水分的质量g2与土的质量gi（干质量）比值的百分数:
W坐100%
gl
1.2.2.3土的天然重度和干容重
土的天然重度是土在天然状态（自然含水量）下，土的重力W与其所占体积V之比:
W
V
它与土的矿物成分、孔隙度、含水量等因素有关，一般在15~20kN/m之间。
土的干容重d是土固体颗粒部分的重力gs与土的总体积之比：
gs
d丁
在工程上常把干容重作为评定土体紧密程度的标准。
1.2.2.4土的塑性
土在外力作用下改变形状，并在外力除去后仍然保持这一形状的能力称为土的塑性。
通常粘性土属于可塑性土，而砂和砾石则为非塑性土。
含水量对粘性土的可塑性有着重要影响。
当含水量大于一定界限时，粘性土呈现某种流动状态。
这一含水量极限即称为粘性土的流动界限（液限）或称塑性上限。
当含水量小于某一界限时，则粘性土会
失去压延性而变成硬性的固体状态。
这一含水量极限即称为粘性土的压延界限（塑限）或称塑性下限。
含水量的流动界限是用下述方法测定的：
当重为0.76N、锥顶为30°角的圆锥体，将其尖顶接
触土，在其自重作用F下经过5秒沉人土中深度达10mm时，这一含水量即作为土的流动界限，用符
号Ws表示。
压延性界限的测定法是：
当土团被碾延3mm厚曲薄带时，土开始碎裂，则这一含水量即为土的压
W>Ws时称为流动性土；当WxvWvWs
延性界限，用符号WX表示。
随着含水量的不同，粘性土呈现不同的物理状态：
当
时称为塑性土；当WvWX时称为硬质土。
将WsWxIp称为土的塑性指数。
塑性土按其Ip大小又可分成若干类：
高塑性土（粘土）,
塑性土（亚粘土）和低塑性土（亚砂土），见表1-3。
表1-3塑性指数IpWSWX
土的种类
粘土（咼塑性土）
亚粘土（塑性土）
亚砂十（低塑十）
砂十（非塑十）
塑性指数
>17
7~17
1~17
V1
1.225土的粘着性
土的粘着性是指土粘附在其他物体上的能力。
当粘性土的含水量增加到一定程度后（这一含水量称
作粘着界限Wn），土开始具有粘附在不同物体上的能力。
土的粘着性的指标是含水量的粘着界限Wn和
比粘着力Pn。
比粘着力Pn是使单位面积的金属片与土脱离所需要的力。
对于粘土，Pn约等于7000〜
8000N/m2；对于亚粘土，Pn约等于5000〜7000N/m2。
士的粘着性是大部分塑性土，在含砂土质较少而又有适当的含水量时所共有的特性。
它会增加铲
掘阻力和减少工作装置的有效容量。
1.2.2.6土的自然坡度角°
土的自然坡度角0是堆积散状土时自然形成的堆积角。
0值与土的内摩擦力和粘聚力有关。
对于
非粘性土，自然坡度角0即等于干土的内摩擦角。
各种土在不同状态时的自然堆积角列于表1-4。
表1-4土的自然坡度角
碎石
砾石
砂石
粘土
轻亚粘土
种植土
干
35°
40°
30°
28°
25°
45°
50°
40°
40°
湿
45°
40°
32°
35°
30°
35°
40°
30°
35°
饱和
25°
35°
27°
25°
20°
15°
30°
20°
25°
1.2.2.7土与钢、土与土的摩擦系数1和2
在进行土对工作装置的阻力计算时，可由表1-5选取。
表1-5土与钢、土与土的摩擦系数1和2
土的名称
1
2
砂
0.80
0.35
中等粘土
1.00
0.50
重粘土
1.20
0.80
1.2.2.8土的松散系数Ks
土的松散系数Ks,是指同一重量的土在挖松之后，其体积Vw与挖松前那种自然密实状态的体积
V0之比。
可由表1-6中选取。
松散系数Ks分为初始松散系数和残余松散系数两种，前者为刚挖松情况的数据,后者为挖松后经过若干时间，在自重、风、雨等因素作用下略有密实后的数据。
这一点在使用时应予以注意。
表1-6土的松散系数Ks
土的种类
Ks
新松土
若干时间后
砂、砂质土
1.08~1.17
1.01~1.02
种植土、泥炭
1.20~1.03
1.03~1.04
黄亚粘土、松散潮湿黄土
1.14~1.28
1.02~1.05
沃性粘土、重亚粘土、大卵石、自然湿度黄土
1.24~1.30
1.04~1.07
块状粘土、带有碎石业粘土
1.26~1.3
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