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土壤切削.docx

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土壤切削

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）：

Vsγ

Ks＝------＝--------＞1

Vγs

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＝18000N／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）。

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:

h＝———（cm）

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。

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：

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）：

　　　　Fw1＝————·cos（90°－γ－φ）

cosφ

＝————·sin（γ+φ）

cosφ

总阻力Fw的垂直分力Fw2（又称法向分力）：

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：

τ·bh

F1＝τ·A＝————

sinψ

σ·bh

F2＝σ·A＝————

cosψ

由此：

法向应力σ＝————·cos（γ'+ψ）sinψ

bh·cosφ

切向应力τ＝————·sin（γ'+ψ）sinψ

bh·cosφ

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）

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。

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＝k0bh（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0.5m³，k0值需增大；如果斗容量大于3m³，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%。

同样，斗型装置的切向挖掘阻力Fw1和法向挖掘阻力Fw2的关系可用系数ξ0表示：

Fw2＝ξ0Fw1（N）

试验所得的ξ0值见表1.7—6。

实际上Fw1和Fw2的关系不是直线关系，与许多因数有关。

需要指出，在德国等西欧国家还提出了另一种“挖掘比阻力”概念，即：

把作用在切削刃1cm平均切削长度上的单位挖掘阻力KL,又称“线挖掘比阻力”，单位是“N/cm”。

（KL简称为“线比阻力”，由此k0又简称为“面比阻力”）。

若铲斗与土体接触的切削刃长度为L（ｃm），切向分力Fw1L为：

Fw1L＝KL·L（Ｎ）

法向分力Fw2L：

Fw2L＝ξL·Fw1L（Ｎ）

国外通过试验室及挖掘机实体测得的KL数据列于表1.7—7中。

式中：

ξL—法向分力和切向分力的比例系数。

Ⅰ～Ⅱ类土壤，ξL＝0.4～０.45；Ⅲ～Ⅳ类土壤，ξL＝0.6～0.7；Ⅳ～Ⅴ类土岩，ξL＝0.8～0.9。

KL值是唯一与切削形式和土屑面积无关的参数，在实践中易于取得实际测试换算得到的累积数据。

由于计算简便，因此首先在斗轮式挖掘机的设计计算中获得广泛应用，在初步设计中用来确定斗轮挖掘力和驱动功率；对于露天矿用的大型正铲挖掘机，也可以用KL来校验其挖掘力。

研究土壤切削的一个重要目的就是求取挖掘比阻力系数和寻求减小挖掘阻力的途径，通过实验得到的累积数据，为设计计算挖掘力提供重要的依据。

天津工程机械研究所曾经对广东茂名油页岩露天矿开发斗轮挖掘机时，在该矿的1m3机械式挖掘机上，通过铲斗上安装拉力传感器和贴应变片的方法，测试得到挖掘油页岩的KL值（平均1000N/cm）。

为设计计算斗轮挖掘力和斗轮驱动功率提供了依据。

德国、前苏联、捷克、波兰、日本等国家都曾经在土切实验室或挖掘机本体上，对土壤切削进行过试验研究，并获得大量的数据和研究成果。

1.7.5降低切削（挖掘）阻力的某些途径

1.根据不同的施工工艺要求，采取相适应的切削方法，可减小切削（挖掘）阻力、降低能耗和提高生产率。

例如：

定深平面切削：

切削深度不变，切削刃面平行移动进行切削。

如：

推土机、平地机、链斗式挖沟机等；

非定深平面切削：

切削装置不回转，切削刃面平行移动，切削深度随时间的变化而改变。

如:

反铲挖掘机等；

旋转切削：

切削装置在切削过程中不断绕自身轴线转动，同时作纵向或侧向移动。

如：

实现端面切削、侧向运动的斗轮式挖掘机、挖壕挖坑机，端面运动、纵向推进的联合掘进机等；

冲击切削：

在切削坚硬的物体时，使切削刃在切削的同时还产生冲击作用。

如：

液压锤、振动铲斗等。

2.合理设计切削装置的几何形状和参数

角度参数（切削角γ、刃角θ和后角γ1）：

切削角增大。

切削阻力增加。

当切削阻力小于30°～35°时，切削阻力增加缓慢。

超过这个数值，阻力急剧增大。

一般认为γ＝20°时最合理。

但是由于结构和强度的原因，切削刃的刃角θ不能太尖，以免发生过快磨损使阻力增大。

此外，要保持一定的切削后角，以防止切削刃边与土壤接触而发生摩擦。

因此切削角不能太小，一般取γ＝25°～35°，θ＝20°～25°，γ1＝5°～8°。

斗齿：

铲斗的切削刃上要安装斗齿，可以降低切削阻力10%～25%，降低挖掘阻力6%～15%。

但是对于湿软的土壤或松散的物料，安装斗齿不仅使铲斗的重量增加，而且使切削阻力增大；斗齿在斗唇上应合理布置。

齿间距太小，使齿数增多，重量增加，挖掘阻力增大。

齿间距太大，使切削边参与切削，增加磨损和阻力。

一般相邻两齿的距离为斗齿宽度的1.2～1.25倍；斗齿工作一段时间后产生磨损，使阻力增加达60%～70%以上，所以一旦斗齿发生较大的磨损量，就应及时更换斗齿。

切削刃形状的影响：

根据不同的施工场合和土壤土质状况，采用矩形、尖形或圆弧形切削刃铲斗。

对于湿软的土壤或松散物料，宜采用无齿的半圆弧型铲斗，可降低切削阻力。

切削刃厚度增大，阻力增加。

在保证切削刃强度和合理的切削角的条件下，尽量采取较小的切削刃厚度（即切削刃应尽量尖锐一些）。

斗侧壁：

若铲斗无刃边的侧壁参与切削，将增大挖掘阻力。

因此一般使侧壁向后倾斜，后倾角约为3°～5°。

对于一次挖掘成型沟的反铲斗，侧壁上应安装侧齿，以降低阻力。

3.采取合理的切削断面形状和尺寸

切削有三种形式：

封闭式切削（切削装置正切刃和两边的侧切刃共三边参与土壤切削）；半封闭式切削（正切刃和左边或右边的一个侧切刃参与土壤切削）；自由切削（仅正切刃参与切削土壤）。

封闭式切削断面情况下的切削阻力最大；自由切削断面切削情况下阻力最小。

切削下土屑的断面形状对阻力影响也很大。

当切屑断面面积A＝bh不变时，增大切屑厚度h和减小切屑宽度b，或者保持b/h的比值不变而增

大切屑断面面积A，都可以减小切削阻力。

但是，如果h太大或b太小，由于侧壁的影响，都会使阻力增加。

较合理的尺寸是b＞50㎝，h＝（0.1～0.33）b。

在这种情况下，切削厚度变化对阻力的影响很小，（约低于5%～6%），可以忽略不计。

降低挖掘阻力的方法还有很多，如：

改变挖掘方法、改变挖掘速度、对硬土或软岩采用预先爆破等等。

表：

1.7-1土的工程分类和主要性质

土壤

级别

土的名称

开挖方法

自然湿度下容重（N/m3）

松散系数Ks

土与土摩擦系数μ1

土与钢摩擦系数μ

切削比阻力k（N/m2）

Ⅰ

砂和砂壤土

腐殖土

泥炭

铁锹开挖

15000～16000

12000

6000

1.08～1.3

（1.15）

0.6

0.45

Ⅱ

松壤土和黄土类土

湿软黄土、软盐碛土和碱土

粒径15mm以下的砂石

夹石沙土

含直径30mm以内的根类泥炭和腐殖土

铁锹开挖并略用丁字镐开挖

16000

17000

17500

11000

1.14～1.28

（1.25）

0.8

0.6

8～10

Ⅲ

肥粘土

重壤土、重沙土

干黄土

含直径大于30mm的根类泥炭和腐殖土

粒径15～40mm的碎石和砂石

杂有碎石和建筑碎料的土壤

丁字镐、铁钎、铁锨开挖

18000

17500

18000

14000

17500

19000

1.24～1.3

（1.3）

1.0

0.75

12～20

Ⅳ

重粘土、硬黄土

含碎石、卵石、建筑碎料的粘土和重壤土

冰渍粘土、粗卵石

泥板岩

丁字镐、铁钎、铁锨部分用楔子与锤开挖

19500

20000

1.26～1.37

（1.37）

1.2

0，8

20～30

Ⅴ

密实硬黄土

轻质泥灰石

胶结力弱的砾岩

不坚实的页岩

石膏

丁字镐、铁钎、冲击工具或部分爆破方法

19500

19000

20000

22000

1.3～1.45

（1.45）

Ⅵ以上

岩石

爆破方法

>20000

>1.45

表：

1.7-2土壤的自然静止角Φ（度）

土壤名称

土壤状态

干土

潮土

湿土

细沙

普通砂

粗砂

砾石

粘土

粉粘土

种植土

表:

1.7-3土壤的摩擦系数

土壤名称

内摩擦系数

μ1

土对钢的摩擦系数

砂

粘土

细砾石

泥灰土

饱含水粘土

碎石

水泥

0.58～0.75

0.7～1

0.9～1.1

0.75～1

0.18～0.42

0.9

0.84

0.73

0.5～0.75

0.6～0.75

0.84

0.73

表：

1.7-4土壤的抗陷系数p0和地面最大容许比压pmax

土壤种类

抗陷系数p0

（KPa/cm）

最大容许比压pmax

（KPa）

沼泽土

湿粘土、松砂土

大粒砂、普通粘土

坚实粘土

湿黄土

干黄土

5～15

20～30

30～45

50～60

70～100

110～130

40～100

200～400

400～600

600～700

800～1000

1100～1500

表：

1.7-5挖掘比阻力k0（N/cm2）

土壤名称

正铲、反铲

拉铲

轮斗式挖沟机

斗轮式挖掘机

铲运机

干的松砂

石英砂

1.6～2.5

2.8～4.5

6～12

6～8

2.5～4

砂土、粉砂土、砂质粘土（湿）

3～7

6～12

12～23

15～22

5.3～10.5

含砂粘土、细砾石、普通粘土、湿粘土、松粘土

6～13

10～19

25～30

9.5～18

粘土、松湿重粘土、坚实含砂粘土

11.5～19.5

16～26

28～40

35～60

15～25

重粘土、极重质湿粘土

20～30

28～40

38～45

40～70

25～39

略胶结的砾岩、褐煤、白垩土

23.1～31

31～40

45～80

夹有石块的重质砾岩、轻质页岩、重质干粘土、爆破不良的泥灰石

28～32.5

37～42

60～120

爆破良好的夹石重质砾岩及铁矿石

22.5～25

28～31

爆破不良的重质砾岩

44.5～47

53～60

爆破不良的铁矿石

38～42.5

47.5～53

表：

1.7-6斗形装置挖掘阻力系数ξ0值

土壤名称

装置形式

ξ0值

最小

普通

最大

砂土

含砂粘土

粘土

略胶结的砾石

砾石、爆破后石块

正，反铲/拉铲

正，反铲

0.2/0.13

0.20/0.12

0.23/0.11

0.21

0.19

0.51/0.25

0.35/0.19

0.42/0.20

0.34

0.63

0.80/0.44

0.62/0.40

0.65/0.40

0.42

1.04

表：

1.7-7线挖掘比阻力kL值单位：

N/cm

土壤名称

KL值

土壤名称

KL值

砂、细砾石

粉粘土

含砂粘土

软沥青土

黄土性砂粘土

重粘土

100～200

150～270

350～420

360～450

260～420

650～720

节理石煤

软褐煤

硬褐煤

油页岩

中硬泥板岩

磷酸盐

480～610

250～500

780～1050

950～1200

700～850

600～1200

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