CN104213594A - 一种变曲率挖掘机铲斗 - Google Patents

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Abstract

一种变曲率挖掘机铲斗，包括两个平行设置的左侧板和右侧板，左侧板和右侧板之间通过斗底板连接，斗底板的两端分别与斗前壁板和斗后壁板连接，斗底板呈曲线型，斗底板的两面分别为结构相同的内触土面和外触土面，沿平行于左侧板所在平面的切面剖切斗底板，斗底板的内触土面在该剖切面的轮廓曲线是由参数方程在取值范围为0~130得出的曲线段。本发明中的曲线方程具有变曲率的几何特性，该变曲率几何结构能够改变土壤在与斗底板接触时的运动状态，能够对运动的土壤产生平滑的切削效应，从而降低挖掘机的工作阻力和土壤的粘附。

Description

一种变曲率挖掘机铲斗
技术领域
本发明涉及一种挖掘机铲斗，具体涉及一种变曲率挖掘机铲斗。
背景技术
挖掘机广泛应用于包括矿山、城建等多种领域，铲斗作为挖掘机的重要工作部件，经常使用在各种恶劣的工作环境下，截止2013年底，我国挖掘机拥有量不低于150万台，每年消耗燃油不低于3000万吨。降低挖掘机工作阻力，对于减少燃油消耗具有重大意义。而铲斗作为挖掘机直接的工作部件，消耗功率不低于整机功率的40%。铲斗触土曲面的几何形状直接决定着铲斗的脱附减阻性能，结构合理的铲斗触土曲面，能够有效地降低挖掘机的工作阻力，从而达到高效节能的目的。传统的脱附减阻手段主要有气幕脱附减阻、振动脱附减阻、非光滑曲面脱附减阻、电位仿生脱附减阻和仿生材料脱附减阻。
以上的减阻方法虽能够取得脱附减阻的目的，但是普遍存在机构设计复杂、生产成本高和稳定性差的缺点，不能从根本上解决土壤对铲斗的粘附问题。另外，现有挖掘机铲斗曲面主要采用圆弧曲面形式，由于圆弧面各点均具有相等的曲率半径，均指向同一圆心，这种曲面工作过程中，与触土曲面接触的土壤所受法向压力也均指向圆心，这种受力特点严重不利于土壤的松碎，致使工作过程中土壤粘附严重，工作阻力大。
发明内容
由于铲斗的脱附减阻性能不仅与铲斗材料和结构有关，还和与土壤滑动接触的铲斗的表面几何形状有关，本发明提供一种变曲率挖掘机铲斗，重新设计铲斗触土曲面的形状，以变曲率的方法，达到脱土减粘的目的。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：一种变曲率挖掘机铲斗，包括两个平行设置的左侧板和右侧板，左侧板和右侧板之间通过斗底板连接，斗底板的一端与设有铲斗齿的斗前壁板连接，另一端与设有防溢板的斗后壁板连接，所述的斗底板呈曲线型，斗底板的两面分别为结构相同的内触土面和外触土面，沿平行于左侧板所在平面的切面剖切斗底板，斗底板的内触土面在该剖切面的轮廓曲线是由参数方程                                               在取值范围为0~130得出的曲线段。
在取值范围为0~130时，斗底板的内触土面的轮廓曲线的曲率方程为K(x)=ABS[(0.000059043x2-0.013279194x+1.5884557962)(-0.000161328x+0.018141914)-(0.000118086x-0.01327194)(-0.000080664x2+0.018141914x-0.7555908377)]/[(0.000059043x2-0.013279194x+1.5884557962)2+(-0.000080664x2+0.018141914x-0.7555908377)2]1.5。
进一步的，斗后壁板与斗底板通过圆弧连接，且斗后壁板呈圆心角为30°的圆弧形。
进一步的，斗前壁板和防溢板均呈直线型，斗前壁板与斗底板的曲面相切。
本发明的有益效果：
1、本发明中斗底板所用方程曲线是基于试验优化而来，该曲线方程具有变曲率的几何特性，该变曲率几何结构能够改变土壤在与斗底板接触时的运动状态，变曲率的斗底板能够对运动的土壤产生平滑的切削效应，从而降低挖掘机的工作阻力，在土壤试验中表现出优良的脱附减阻效果。
2、本发明基于斗底板曲线变曲率的特性，将其应用在挖掘机铲斗的设计中，提高了挖掘机铲斗的脱附减阻性能，从根本上解决挖掘机铲斗工作阻力大、高粘附的问题；与现有现有技术相比，本发明的脱土减粘性能提高了30%。
3、本发明的斗底板采用具有变化曲率的抛物线型曲面，能够有效的提高铲斗的入土能力，合理的增加铲斗容量，大幅改善挖掘机挖掘时的土壤应力分布情况，从而改变被挖掘的土壤运动方式，减少土壤粘附。
4、本发明的挖掘机铲斗具有通用性，可对本发明的铲斗进行等比缩放，能够生产出适用于大、中、小型挖掘机的铲斗。
附图说明
图1为挖掘机铲斗沿平行于左侧板所在平面剖切后的轮廓图；
图2为斗底板内触土面轮廓曲线的曲率方程曲线图；
图3为挖掘机铲斗的立体图；
图4为挖掘机铲斗的1/2剖视图；
图5为图4的正视图；
图6为本发明与传统挖掘机铲斗的对比试验结果。
附图标记：1、左侧板，2、右侧板，3、防溢板，4、斗后壁板，5、斗底板，501、内触土面，502、外触土面，6、斗前壁板，7、铲斗齿。
具体实施方式
一种变曲率挖掘机铲斗，主要涉及铲斗的触土曲面，特别是该曲面的内轮廓线形式，铲斗由四部分组成，从前至后依次为：斗前壁板6、斗底板5、斗后壁板4和防溢板3，各部分依次所对应的曲线形式依次为：直线、变曲率的复合曲线型、圆弧形和直线型。即：斗前壁板6的触土曲线为直线型，其曲率为常数0；斗底板5的触土曲线为变曲率方程曲线，其曲率变化情况如图2所示；斗后壁板4的触土曲线为圆弧曲线，其曲率为圆弧半径r的倒数1/r；防溢板3的触土曲线为直线型，其曲率为常数0。
如图3所示，挖掘机的铲斗包括两个平行设置的左侧板1和右侧板2，左侧板1和右侧板2之间通过斗底板5连接，斗底板5的一端与设有铲斗齿7的斗前壁板6连接，另一端与设有防溢板3的斗后壁板4连接。
其中，斗底板5呈复合曲线型，斗底板5的两面分别为结构相同的内触土面501和外触土面502，沿平行于左侧板1所在平面的切面剖切斗底板5，斗底板5的内触土面501在该剖切面的轮廓曲线是由参数方程在取值范围为0~130mm内放大n倍得出的曲线段，即的取值范围为[0，130n]mm，该轮廓曲线的曲率方程为K(x)=ABS[(0.000059043x2-0.013279194x+1.5884557962)(-0.000161328x+0.018141914)-(0.000118086x-0.01327194)(-0.000080664x2+0.018141914x-0.7555908377)]/[(0.000059043x2-0.013279194x+1.5884557962)2+(-0.000080664x2+0.018141914x-0.7555908377)2]1.5。
对本发明在取值范围为0~130mm内放大20倍，得到的由限定的斗底板5的内触土面501的准线方程，参考该准线方程制得的斗底板与传统参照圆弧曲面制得的斗底板相比，工作时，土壤对挖掘机铲斗的工作阻力如图6所示，其中，A曲线代表本发明的挖掘机铲斗，B曲线和C曲线分别代表传统的挖掘机铲斗，传统挖掘机铲斗底板为圆弧曲面结构，圆弧面各点均具有相等的曲率半径。
对图6分析可知：
（1）、初始阶段0~0.5s，由于挖掘机铲斗与土壤间隙的存在，挖掘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）、在挖掘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型挖掘机铲斗的工作阻力小于B、C型。
综上所述，复合曲线A型挖掘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6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。
此部分可用曲线方程直接加工，鉴于此曲线一端与坐标原点重合，斗底板的部分可优先加工；斗后壁板4的曲线为圆弧形曲线，圆弧所在圆半径为300毫米并放大n倍处理，圆点坐标为（300n，0），斗后壁板4对应圆弧圆心角为30度，且圆弧与斗底板5的复合曲线在过渡处相切；防溢板3的曲线为直线型，长度为100毫米并放大n倍处理，且在过渡处与斗后壁板4的圆弧相切；斗前壁板6的曲线为直线型，长度为90毫米并放大n倍处理，且在过渡处与斗底板5的复合型曲线相切。铲斗各过渡部分均采用焊接处理。在满足以上设计要求的情况下，具体的加工工艺路线应根据材料特性，现有加工方法来具体制定。

Claims (4)

1.一种变曲率挖掘机铲斗，包括两个平行设置的左侧板（1）和右侧板（2），左侧板（1）和右侧板（2）之间通过斗底板（5）连接，斗底板（5）的一端与设有铲斗齿（7）的斗前壁板（6）连接，另一端与设有防溢板（3）的斗后壁板（4）连接，其特征在于：所述的斗底板（5）呈曲线型，斗底板（5）的两面分别为结构相同的内触土面（501）和外触土面（502），沿平行于左侧板（1）所在平面的切面剖切斗底板（5），斗底板（5）的内触土面（501）在该剖切面的轮廓曲线是由参数方程                                               在取值范围为0~130得出的曲线段。
2.根据权利要求1所述的一种变曲率挖掘机铲斗，其特征在于：对应所述x的取值范围时，斗底板（5）的内触土面（501）的轮廓曲线的曲率方程为K(x)=ABS[(0.000059043x2-0.013279194x+1.5884557962)(-0.000161328x+0.018141914)-(0.000118086x-0.01327194)(-0.000080664x2+0.018141914x-0.7555908377)]/[(0.000059043x2-0.013279194x+1.5884557962)2+(-0.000080664x2+0.018141914x-0.7555908377)2]1.5。
3.根据权利要求1所述的一种变曲率挖掘机铲斗，其特征在于：所述的斗后壁板（4）与斗底板（5）通过圆弧连接，且斗后壁板（4）呈圆心角为30°的圆弧形。
4.根据权利要求1所述的一种变曲率挖掘机铲斗，其特征在于：所述的斗前壁板（6）和防溢板（3）均呈直线型，斗前壁板（6）与斗底板（5）的曲面相切。
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