CN104213593A - 一种具有变曲率特征的装载机铲斗 - Google Patents

Abstract

一种具有变曲率特征的装载机铲斗，包括两个侧护板、斗体板、防溢板和圆弧板，斗体板的一端为入土端，斗体板的末端与防溢板通过圆弧板连接，斗体板的两面分别为结构相同的内触土面和外触土面，内触土面的准线是由参数方程和在t取值范围为0~150得出的曲线段，该曲线段的入土端与末端之间的张开角为71°。本发明基于内触土面准线的参数方程具有变曲率的特殊性，改善了装载机铲斗在工作中的高粘附性能，从而有效的解决装载机铲斗工作阻力大和工作效率差的问题，本发明减阻脱附性能相比传统意义装载机提高了30%。

Description

一种具有变曲率特征的装载机铲斗

技术领域

本发明涉及装载机铲斗，具体涉及一种具有变曲率特征的装载机铲斗。

背景技术

装载机主要用来铲、装、卸、运土和石料等一类散状物料的土石方施工机械，也可以对岩石和硬土等进行轻度铲掘作业。如果换不同的工作装置，还可以完成推土、起重和装卸其他物料的工作。在公路施工中，主要用于路基工程的填挖、沥青和水泥混凝土料场的集料、装料等作业。由于它具有作业速度快，机动性好，操作轻便等优点，因而发展很快，成为土石方施工中的主要机械。

在装载机作业循环中，物料铲装是其工作的主要工序，它借助于插入力和用转斗及动臂提升的配合动作完成，铲装过程是装载机能量消耗最多的过程，而铲装过程的能量消耗主要来源于物料施加于铲斗的阻力和粘附，因此脱附减阻插入是减小能耗和提高作业效率的最直接方法。

铲斗的脱附减阻性能不仅与铲斗材料、结构有关，还和与铲斗触土曲面几何形状有关。现有装载机铲斗曲面主要是以圆弧面加直纹面过渡的方式形成的，其在工作过程中具体表现为：土壤、砂石和混凝土等对装载机铲斗表面的粘附严重，工作阻力大，严重影响装载机的工作效率、使用寿命和作业质量，同时大大增加了能量消耗。装载机铲斗作为其直接的工作部件，燃油消耗量占到总耗油量的40%，从装载机铲斗几何形状着手降低装载机的工作阻力，从而降低装载机的燃油消耗量，具有很大的提升空间。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有装载机铲斗工作阻力大和粘土严重的问题，提供一种具有变曲率特征的装载机铲斗，将具有变曲率特征的抛物线型曲面应用在铲斗触土曲面的设计中，达到降低土壤与装载机铲斗相互作用过程中摩擦阻力的目的。

本发明为解决上述问题所采用的技术方案为：一种具有变曲率特征的装载机铲斗，包括两个平行设置的侧护板、斗体板、防溢板和圆弧板，斗体板设在两个侧护板之间，斗体板的一端为入土端，入土端设有斗齿，斗体板的末端与防溢板通过圆弧板连接，所述斗体板的两面分别为结构相同的内触土面和外触土面，其中，内触土面的准线是由参数方程                                               和在t取值范围为0~150得出的曲率具有先增大后减小再增大特征的曲线段，该曲线段的入土端与末端之间的张开角为71°。

本发明中，内触土面的准线的曲率方程为K(t)=ABS[(0.000064626t²-0.01677777t+1.8089669372)(-0.00014283t+0.018540252)-(0.000129252t-0.01677777)(-0.000071415t²+0.018540252t-0.8547989067)]/[(0.000064626t²-0.01677777t+1.8089669372)²+(-0.000071415t²+0.018540252t-0.8547989067)²]^1.5。

所述的防溢板呈直线型，且防溢板所在平面与斗体板末端的切线之间的夹角为40°。

所述斗齿的个数为7个，各斗齿均布在斗体板的入土端，相邻两个斗齿之间的间距为103mm。

本发明中，内触土面准线的曲线段的张开角是指：该曲线段的入土端端部的切线与末端端部的切线之间的夹角。

本发明的装载机铲斗中，斗体板所用方程曲线是基于试验优化而来，具有特殊曲率的几何特性，且在土槽模型试验中，早相同的入土深度和入土速度下，与现有技术的装载机相比，本发明装载机铲斗的土壤粘附情况表现为微小，表现出优良的减少土壤粘附和摩擦阻力的效果，可广泛用于各种农业土壤耕作部件曲面设计。该特殊曲率几何结构能够改变土壤在与其接触表面的运动状态，改型斗体能够对运动的土壤产生平滑的切削效应，从而降低装载机的工作阻力。

本发明的有益效果：1、本发明基于内触土面准线的参数方程具有变曲率的特殊性，将该变曲率的曲面应用在装载机铲斗的触土曲面设计中，改善了装载机铲斗在工作中的高粘附性能，从而有效的解决装载机铲斗工作阻力大和工作效率差的问题，本发明减阻脱附性能相比传统意义装载机提高了30%；

2、本发明铲斗触土曲面是由参数方程和共同确定的曲面，能够有效地提高铲斗的入土能力，合理的增加装载机铲斗容量，大幅改善装载机工作时的土壤应力分布情况；斗体板的内触土面中部纵切线的轮廓曲线终止于入土端，使装载机具有较强的入土能力和较好的脱土效果，同时在作业时能够分散土壤压力，减小触土面积，改变土壤结构，从而减少土壤粘附，降低土壤阻力。

3、该特殊曲率几何结构能够改变土壤在与其接触表面的运动状态，改型斗体能够对运动的土壤产生平滑的切削效应，从而降低装载机的工作阻力；本发明所涉及装载机铲斗具有通用性，对本发明铲斗进行等比缩放，可生产出适用于大中小型装载机的铲斗。

附图说明

图1为斗体板的内触土面轮廓准线结构图；

图2为当n=1时，斗体板的内触土面轮廓准线的曲率方程图；

图3为装载机铲斗的立体图；

图4为图3的部分剖视图；

图5为本发明与传统装载机铲斗的对比试验结果。

附图标记：1、侧护板，2、斗体板，20、入土端，21、内触土面，22、外触土面，3、防溢板，4、圆弧板，5、斗齿。

具体实施方案

如图3所示，一种具有变曲率特征的装载机铲斗，包括两个平行设置的侧护板1、斗体板2、防溢板3和圆弧板4，斗体板2设在两个侧护板1之间，斗体板2的一端为入土端20，入土端20设有斗齿5，斗体板2的末端与防溢板3通过圆弧板4连接。

现有技术中，装载机铲斗一般由斗壁和侧板两部分组成，斗壁的形状在很大程度上决定了铲斗容量，主要由连接在斗体两端的斗前壁和斗后壁、防溢板组成，目前对装载机铲斗斗形的改进基本都是通过改进上述组成部件的基本参数的思路改进的，也有一些对铲斗进行仿生设计的研究，但一般是仿照土壤动物体表最外侧具有抑制憎水性的蜡质材料，在铲斗表面涂上憎水材料涂层，虽然该涂层能够减少土壤粘附，但该涂层的耐磨性往往达不到理想要求。统计显示，现有对铲斗的脱附减阻性能的研究，是根据动物体表的生物学特性，进而模拟生物体表材料对铲斗的材料加以改进。但动物体表一般具有生物柔性和生物电特性，依靠仿生材料对铲斗材料加以改进的方式，存在一定难以克服的困难。

与现有技术相比，本发明从装载机铲斗的结构入手，对铲斗触土曲面几何形状进行改进：斗体板2的两面分别为结构相同的内触土面21和外触土面22，内触土面21的准线是由参数方程和在t取值范围为0~150mm内放大n倍得出的曲线段，该曲线段的曲率具有先增大后减小再增大的特征，如图1所示，该曲线段的入土端端部的切线与末端端部的切线之间的夹角即张开角为71°；内触土面21的准线的曲率方程为K(t)=ABS[(0.000064626t²-0.01677777t+1.8089669372)(-0.00014283t+0.018540252)-(0.000129252t-0.01677777)(-0.000071415t²+0.018540252t-0.8547989067)]/[(0.000064626t²-0.01677777t+1.8089669372)²+(-0.000071415t²+0.018540252t-0.8547989067)²]^1.5。

本发明中，圆弧板4为圆弧形结构，圆弧所在圆半径为50mm，圆点坐标为（144，218)；防溢板3呈直线型，其长度为50mm并放大n倍处理，且防溢板3所在平面与斗体板2末端的切线之间的夹角为40°。所述铲斗开口长为310mm；所述铲斗内轮廓宽度为铲斗开口长的两倍；所述铲斗斗齿数量为7个；斗齿垂直间距为103mm；所述铲斗侧边厚度为20mm；侧边加有加强板，厚度为10mm；铲斗防溢板设有加强筋固定。本发明所涉及装载机铲斗具有通用性，对本发明铲斗进行等比缩放，可生产出适用于大中小型装载机的铲斗。

当n=1时，t的取值范围为0~150mm，触土曲线的曲率变化如图2所示，曲率表现为先增大后减小，再增大的特殊形式。

传统技术中，单纯出于减阻和易加工的目的，一般是将斗体板设置成圆弧形或U型，难以从根本上解决推土、持土以及使土壤前翻并混合的目的。参考该内触土面的准线方程制得的斗底板与传统参照圆弧曲面或U型结构制得的斗底板相比，工作时，土壤对装载机铲斗的工作阻力如图5所示，其中，A曲线代表本发明的装载机铲斗，B曲线和C曲线分别代表传统的圆弧形和U型装载机铲斗，其中，圆弧曲面结构的装载机铲斗在其圆弧面各点均具有相等的曲率半径。

对图5分析可知：

（1）、初始阶段0~0.5s，由于装载机铲斗与土壤间隙的存在，装载机铲斗与土壤并未接触，土壤应力均为0；

（2）、铲斗与土壤接触(入土)过程中0.5~1.5s，土壤应力迅速增大，且变化趋势相同，线型变化趋势接近于平行，且在此过程中复合曲线A型铲斗减阻能力表现最好，C型铲斗次之；

（3）、在装载机铲斗与土壤接触稳定1.5~3.0s后，A、B、C型铲斗的土壤应力均趋于稳定，且稳定值接近于相等。在此过程中A型装载机铲斗的工作阻力小于B、C型。

综上所述，复合曲线A型装载机铲斗在工作时土壤应变与土壤应力均好于B、C型铲斗，土壤应力与应变直接反映着铲斗的脱附减阻性能，图5的试验结果证明了，本发明的复合曲线A型铲斗具有很好的脱土减粘性能。

本发明的变曲率的曲线设计，能够使铲斗在一定速度的持续工作中，与物料接触的曲面能够对物料起到类似于“地震波”的效应，使物料易于松碎和脱附，降低铲斗的工作阻力。两个侧护板1与斗体板2构成具有一定容量的铲斗，斗体板2的形状不仅决定着铲斗的容量，还影响着铲斗的粘附情况和摩擦阻力。本发明中，斗体板2的内触土面21的曲线段，是由内触土面21的准线曲线沿铲斗长度方向平移形成的，曲线段终止于入土端20，使入土端的顶端形成三角形的端部，使装载机具有较强的入土能力和较好的脱土效果，减少了土壤在装载机铲斗中的滞留、粘附，避免土-钢摩擦转变为土-土摩擦。

Claims (4)

1.一种具有变曲率特征的装载机铲斗，包括两个平行设置的侧护板（1）、斗体板（2）、防溢板（3）和圆弧板（4），斗体板（2）设在两个侧护板（1）之间，斗体板（2）的一端为入土端（20），入土端（20）设有斗齿（5），斗体板（2）的末端与防溢板（3）通过圆弧板（4）连接，其特征在于：所述斗体板（2）的两面分别为结构相同的内触土面（21）和外触土面（22），其中，内触土面（21）的准线是由参数方程                                               和在t取值范围为0~150得出的曲率具有先增大后减小再增大特征的曲线段，该曲线段的入土端与末端之间的张开角为71°。

2.根据权利要求1所述的一种具有变曲率特征的装载机铲斗，其特征在于：内触土面（21）的准线的曲率方程为K(t)=ABS[(0.000064626t²-0.01677777t+1.8089669372)(-0.00014283t+0.018540252)-(0.000129252t-0.01677777)(-0.000071415t²+0.018540252t-0.8547989067)]/[(0.000064626t²-0.01677777t+1.8089669372)²+(-0.000071415t²+0.018540252t-0.8547989067)²]^1.5。

3.根据权利要求1所述的一种具有变曲率特征的装载机铲斗，其特征在于：所述的防溢板（3）呈直线型，且防溢板（3）所在平面与斗体板（2）末端的切线之间的夹角为40°。

4.根据权利要求1所述的一种具有变曲率特征的装载机铲斗，其特征在于：所述斗齿（5）的个数为7个，各斗齿（5）均布在斗体板（2）的入土端（20），相邻两个斗齿之间的间距为103mm。