CN204266265U - 一种铲掘系统及包含该铲掘系统的平地机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种铲掘系统，包括牵引架、涡轮箱、回转机构、支架以及铲刀装置，所述回转机构和所述铲刀装置均与所述支架连接，所述涡轮箱设置在所述牵引架上，以驱动所述回转机构相对于所述牵引架进行回转；所述铲刀装置包括铲刀结构，且所述铲刀结构的触土表面的弧形半径由上至下逐渐增加,能够减小铲掘系统的铲掘阻力和铲掘刀片的受力。本实用新型也提供一种包括上述铲掘系统的平地机，能够显著提高平地机的铲掘动力。

Description

一种铲掘系统及包含该铲掘系统的平地机

技术领域

本实用新型涉及工程机械领域，特别是一种铲掘系统及包含该铲掘系统的平地机。

背景技术

平地机是一种配以铲掘系统为主体的，配以其他多种可换作业装置，进行土壤铲掘、平整和整形作业的铲土运输施工机械。平地机主要应用于道路、机场、农田、水利等大面积土壤平整作业及刮坡、挖沟、推土、松土、清除路面冰雪等方面施工作业，是国防工程、交通、水利基本建设施工中的重要设备之一。

铲掘系统是平地机中直接的工作系统，在相同作业姿态下其铲掘系统的触土表面形状的优劣直接影响了平地机的铲掘性能，如：铲掘阻力、刀片使用寿命及系统的动力性能等。在作业介质一定的情况下，铲掘系统的铲刀所受水平阻力完全由铲刀的触土表面结构与系统的操作参数共同决定；铲刀刀片的使用寿命取决于其受力大小及其自身的耐磨性，其中铲刀刀片所受合力的大小直接由铲刀触土表面的形状所决定；平地机的动力性能则由动力系统所能够提供的最大动力及平地机轮胎的附着力共同决定，铲刀的触土表面形状虽然无法改变系统所能够提供的最大动力，但是铲刀所受竖直向下作用力越大，工程机械的轮胎与铲掘地面间的正压力越大，在相同摩擦系数条件下，轮胎的附着力越大，平地机的动力性能发挥的越充分，所以对于系统的动力性能也有一定的影响。实践表明，铲刀结构设计不合理而会导致工程机械在作业时的铲掘阻力偏大、铲刀刀片磨损严重、轮胎正压力小，附着力小，所以导致轮胎容易打滑等问题。

现有技术中也存在正对这一技术问题而对铲刀系统改进的技术 方案，最为常见的铲刀触土表面形状为弧度半径始终保持不变的圆弧。此外，已授权且申请号为201020691008.4的实用新型专利“一种推土机用曲面推土板”将推土板的曲面结构优化为抛物线型结构。但是，在铲刀触土表面弧形结构弦长保持不变的情况下，圆弧形铲刀无法同时保证小的初始入土角度、大的竖直向下正压力以及好的翻土性能，虽然加工制造比较简单，但是铲掘性能较差。

针对这一问题，已授权且申请号为201020691008.4的实用新型专利所提出的抛物线型结构，推土板上、下部分弧形结构曲率半径大、中间部分曲率半径小。但是这种设计方式导致推土板下部的初始入土角度较大、介质的竖直向下作用力小，从而具有较大的铲掘阻力和铲掘刀片受力，平地机的铲掘动力不足，因此系统的铲掘能力改进有限。

实用新型内容

本实用新型提供一种铲掘系统及包含该铲掘系统的平地机，能够减小铲掘系统的铲掘阻力和铲掘刀片的受力，并能够显著提高平地机的铲掘动力。

本实用新型提供一种铲掘系统，包括牵引架、涡轮箱、回转机构、支架以及铲刀装置，所述回转机构和所述铲刀装置均与所述支架连接，所述涡轮箱设置在所述牵引架上，以驱动所述回转机构相对于所述牵引架进行回转；所述铲刀装置包括铲刀结构，且所述铲刀结构的触土表面的弧形半径由上至下逐渐增加。

进一步地，所述铲刀结构的触土表面为渐开线型结构。

进一步地，所述铲刀装置还包括支撑板、连接板和加强板，其中所述连接板一端与所述支撑板连接，所述连接板的另一端与所述加强板连接，所述铲刀结构连接于所述加强板上。

进一步地，所述铲刀装置的铲刀装置作业姿态角度为0度时，铲刀结构入土角度为15－30度，其中，所述铲刀装置作业姿态角度为所述支撑板的上表面与水平面的夹角，所述铲刀结构入土角度为所述铲刀结构最下端弧形结构的切线与水平方向的夹角。

进一步地，所述铲刀装置的铲刀装置作业姿态角度为0度时，铲刀结构翻土角度为10－35度，其中，所述铲刀装置作业姿态角度为所述支撑板的上表面与水平面的夹角，所述铲刀结构翻土角度为所述铲刀结构最上端弧形结构的切线与水平方向的夹角。

进一步地，还包括角位器和铲刀姿态控制油缸，所述角位器通过销轴枢接于所述支架上，所述铲刀姿态控制油缸的一端连接于所述支架上，另一端与所述角位器连接，从而能够控制角位器绕所述销轴回转；所述铲刀装置的支撑板与所述角位器连接。

进一步地，所述角位器具有滑槽，所述支撑板上下侧边具有滑动部，所述支撑板通过所述滑动部镶嵌于所述滑槽中且能相对于所述角位器侧向滑动。

进一步地，所述铲掘系统还包括与所述支撑板连接的侧向滑动连接板，所述侧向滑动连接板与设置于所述支架上的铲刀侧向滑动控制油缸的一端连接，从而能够控制所述铲刀装置相对于所述角位器侧向滑动。

进一步地，所述铲刀结构包括铲刀刀片和铲刀弧板，所述铲刀弧板连接于所述加强板上，所述铲刀刀片连接于所述铲刀弧板上。

进一步地，所述涡轮箱的末端包括圆柱外齿轮，所述回转机构包括内齿圈，所述外齿轮与所述内齿圈形成齿轮啮合，涡轮箱通过所述齿轮啮合驱动所述回转机构实现回转。

本实用新型还提供一种平地机，其包括如上所述的铲掘系统。

本实用新型的有益效果如下：

由于在相同铲刀作业姿态下，铲刀刀片入土角度越小，系统的铲掘阻力越小、铲刀刀片受力越小，铲刀所受竖直向下作用力越大，平地机轮胎与地面间的摩擦力越大，铲掘动力越强；在相同铲刀作业姿态及相同刀片入土角度情况下，铲刀触土表面中、下部弧度半径越大，铲掘阻力越小，铲刀所受竖直向下作用力越大，系统的综合铲掘性能越好；在相同条件下，对于铲刀触土表面上部结构来说，适当减小其弧度半径，使得翻土角度保持在一定得范围内，虽然系统的铲掘阻力 会略微有所增加，但是土壤颗粒翻转能力和流动性会增强，有利于系统铲掘过程的连续进行及系统铲掘排土。因此，上部弧度半径小、下部弧度半径大的渐开线型铲刀触土表面结构能够满足上述要求，为最优触土表面形状，相同条件下能够保持原有翻土性能，降低铲掘阻力，减小铲掘刀片的受力，能够显著提高平地机的铲掘动力。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1示出了本实用新型铲掘系统的一实施例。

图2示出了本实用新型铲掘系统的一实施例的铲刀装置。

图3示出了本实用新型铲掘系统的一实施例的铲刀装置的作业姿态角度。

图4示出了本实用新型铲掘系统的一实施例的铲刀装置在0度姿态角度下的触土曲面受力分布规律示意图。

图5A示出了常规铲掘系统的铲刀装置的触土表面结构的半径。

图5B示出了本实用新型铲掘系统一实施例的铲刀装置的触土表面结构的半径。

图6示出了本实用新型铲掘系统一实施例的铲刀装置可实现的运动。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本实用新型技术方案做进一步详细描述。

结合图1和2，对本实施例的铲掘系统进行进一步详细地说明。本实施例的铲掘系统包括牵引架1、回转机构2、涡轮箱3、支架4以及铲刀装置5，回转机构2和铲刀装置5均与支架4连接，涡轮箱3设置在牵引架1上，以驱动所述回转机构2相对于牵引架1进行回转。 涡轮箱3的末端包括圆柱外齿轮，回转机构2包括内齿圈，该外齿轮与所述内齿圈形成齿轮啮合，涡轮箱3通过齿轮啮合驱动所述回转机构2实现回转。通常出于安全的考虑，设置限位机构10来限制回转机构2的回转幅度，可根据实际工况的需要来设置限位机构10的位置。

铲刀装置5包括铲刀结构，本实施例中，对所述铲刀结构的触土表面的弧形半径进行了特殊地规定。下面对本实用新型的触土表面弧形半径的设置机理进行进一步详细说明。

首先我们结合图2和图3，对铲掘过程的几个关键参数进行一下阐述：通常铲掘过程中，铲刀刀片的入土角度θ，铲刀的翻土角度α以及作业姿态角度为常用的几个关键参数。如图4所示，铲刀刀片的入土角度θ是指铲刀刀片14最下端弧形结构的切线与水平方向的夹角，其物理意义为铲刀最下端以多大的楔形角度铲掘作业介质；铲刀的翻土角度α是指铲刀弧形结构15最上端弧形结构切线与水平方向的夹角，其值越小表明铲刀的翻土性能越好；如图3所示，铲刀装置作业姿态角度是指铲刀装置中支撑板11上表面与水平方向的夹角，反映了在铲刀姿态控制油缸控制下的铲掘姿态。

通常来说，倘若铲刀所受铲掘阻力(即：作业介质的水平阻力)越小，系统的铲掘效率越高；而在相同作业姿态下，作业介质反作用于铲刀上的竖直向下作用力越大(当竖直向下作用力为负数时表明竖直作用力方向向上)，平地机轮胎与地面间的竖直正压力越大，轮胎的附着力越大，系统的动力性能(即：不易发生打滑)越强。为了提高系统的综合铲掘性能，申请人对平地机铲掘过程的微观和宏观作业机理进行了全方位的研究，研究结果表明：

1、在相同铲刀装置作业姿态角度下，铲刀刀片入土角度θ越小，系统的铲掘阻力越小、铲刀刀片受力越小，铲刀所受竖直向下作用力越大，平地机轮胎与地面间的摩擦力越大，铲掘动力越强；

2、在相同铲刀装置作业姿态角度及相同刀片入土角度θ的情况下，铲刀触土表面中、下部弧度半径越大，铲掘阻力越小，铲刀所受竖直向下作用力越大，系统的综合铲掘性能越好；

3、在相同条件下，对于铲刀触土表面上部结构来说，适当减小其弧度半径，使得翻土角度α保持在一定得范围内，虽然系统的铲掘阻力会略微有所增加，但是土壤颗粒翻转能力和流动性会增强，有利于系统铲掘过程的连续进行及系统铲掘排土。

由以上的分析结果可知，上部弧度半径小、下部弧度半径大的渐开线型铲刀触土表面结构能够满足上述要求，为最优触土表面形状。

在本实施例中，铲刀装置作业姿态角度可在-8度至37度的范围内连续变化，而铲刀刀片的入土角度θ，铲刀的翻土角度α也随之相应变化。在进行大规模铲土作业时，一般选取铲刀的姿态角度为-5度左右；而在进行土壤的平整作业时，一般选取铲刀的姿态角度为35度左右。铲土作业推土量较多，主要目的是实现土壤的大规模转移，对于平地机的铲掘性能较高，但是平土作业推土量较少，主要目的是利用突出的土壤填补凹坑低洼处，所以铲土作业对于平地机铲掘性能的要求最高，亦即在9度姿态时系统的铲掘工况最为恶劣。在铲刀装置作业姿态角度的整个变化范围内，选取三种典型姿态：-5度、15度和35度，利用离散单元法对平地机铲刀的铲掘过程进行动态仿真分析，铲刀装置在0度姿态角度下的受力分布规律如图4所示,通过仿真对比发现：

1、在相同铲刀装置作业姿态角度下，铲刀刀片入土角度越小，系统的铲掘阻力越小、铲刀刀片受力越小，铲刀所受竖直向下作用力越大，平地机轮胎与地面间的摩擦力越大，铲掘动力越强；

2、在相同铲刀装置作业姿态角度及相同刀片入土角度θ情况下，铲刀触土表面中、下部弧度半径越大，铲掘阻力越小，铲刀所受竖直向下作用力越大，系统的综合铲掘性能越好；

3、在相同条件下，对于铲刀触土表面上部结构来说，适当减小其弧度半径，使得翻土角度α保持在一定得范围内，虽然系统的铲掘阻力会略微有所增加，但是土壤颗粒翻转能力和流动性会增强，有利于系统铲掘过程的连续进行及系统铲掘排土。

由以上的分析结果可知，上部弧度半径小、下部弧度半径大的渐 开线型铲刀触土表面结构能够满足上述要求，为最优触土表面形状，如图5A和5B所示，对于原结构铲刀，由上至下铲刀触土曲面的半径始终相等，即：R₁＝R₂＝R₃＝R₄；而对于优化铲刀，由上至下铲刀触土曲面的半径逐渐增加，即：R'₁<R'₂<R'₃<R'₄<R'₅。

试制试验样机，并在相同条件下(包括：相同作业介质、相同主机、相同操作姿态以及相同操作参数)，对原铲刀及优化铲刀的铲掘试验对比测试，试验测试结果如下：

1、优化后，铲刀的翻土性能未受影响；

2、不同工况下，优化铲刀所受铲掘阻力较原铲刀降低10％-14％；

3、不同工况下，优化铲刀所受竖直作用力较原铲刀向下增加6100N-19400N；

4、不同工况下，优化铲刀的极限行驶距离(从平地机开始启动直至其轮胎发生打滑所行驶的距离，该距离为铲掘阻力减小、系统动力增加的综合效果)较原铲刀增加17％-28％；

5、优化后，铲刀刀片受力降低8％。

因此，本实施例中的铲刀结构的触土表面的弧形半径采取由上至下逐渐增加的结构,以使得铲掘性能进一步提高。具体地，本实施例中的铲刀结构的触土表面可设置为渐开线型结构,也可设置为分段的弧形结构，只要满足弧形半径由上至下逐渐增加即可。

下面再结合附图对本实用新型的结构进一步阐述。如图2所示，所述铲刀装置还包括支撑板11、连接板13和加强板16，其中连接板13一端与支撑板11连接，连接板13的另一端与加强板16连接，铲刀结构连接于所述加强板16上。该铲刀结构包括铲刀刀片14和圆弧型铲刀弧板15。铲刀弧板15连接于加强板16上，铲刀刀片14连接于铲刀弧板15上。

当铲刀装置的铲刀装置作业姿态角度为0度时，铲刀结构入土角度为15－30度；当铲刀装置作业姿态角度为0度时，铲刀结构翻土角度为10－35度。

如图1所示，为了使上述铲刀装置的角度可变，本实施例的铲掘 系统还包括角位器6和铲刀姿态控制油缸8，角位器6通过销轴7枢接于支架4上，铲刀姿态控制油缸8的一端连接于支架4上，另一端与角位器6连接，从而能够控制角位器6绕销轴7回转；铲刀装置的支撑板11与角位器6连接。另外，通常出于安全考虑，可在角位器6上设置铲刀姿态限位机构9，以限制角位器6的旋转角度，从而控制铲刀装置在安全范围内翻转。

如图1,图2和图6所示，为了使上述铲刀装置侧向位置可变，角位器6上具有滑槽，所述支撑板11上下侧边具有滑动部11’，支撑板11通过所述滑动部11’镶嵌于所述滑槽中且能相对于所述角位器6侧向滑动。

为实现所述侧向滑动，铲掘系统还包括与支撑板11连接的侧向滑动连接板12，所述侧向滑动连接板12与设置于例如支架4上的铲刀侧向滑动控制油缸的一端连接，从而能够控制所述铲刀装置相对于所述角位器侧向滑动。因此,如图6所示,本实施例的铲掘系统能实现回转,前后翻转和侧向滑动,以适应不同工况的需要。

本实施例还提供一种平地机，其包括如上所述的铲掘系统。

实验表明：本实施例中的铲掘系统具有如下优点：

1、铲掘阻力小：不同工况下，优化铲刀所受铲掘阻力较原铲刀降低10％-14％；

2、铲刀刀片受力小：优化后，铲刀刀片受力降低8％，进而减轻了铲刀刀片的磨损，大大提高了其使用寿命；

3、系统动力强：以现有的平地机作为工作主机，悬挂不同结构铲刀，通过铲掘性能试验可以得到：不同工况下，优化铲刀所受土壤的竖直向下作用力较原铲刀增加6100N-19400N，占现有平地机整机重量的4％-12％，使得平地机轮胎与土壤表面间的正压力大大增加，进而使得轮胎的附着力增强，系统所能够提供的动力更强；

4、土壤流动性好：通过优化铲刀中、上部的弧形结构，使得土壤颗粒的翻滚作用大为增强，大大提高了系统的流动性能；

5、综合铲掘性能强：不同工况下，优化铲刀的极限行驶距离(从平地机开始启动直至其轮胎发生打滑所行驶的距离，该距离为铲掘阻力减小、系统动力增加的综合效果)较原铲刀增加17％-28％。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。

Claims (11)

1.一种铲掘系统，其特征在于，包括牵引架、涡轮箱、回转机构、支架以及铲刀装置，所述回转机构和所述铲刀装置均与所述支架连接，所述涡轮箱设置在所述牵引架上，以驱动所述回转机构相对于所述牵引架进行回转；所述铲刀装置包括铲刀结构，且所述铲刀结构的触土表面的弧形半径由上至下逐渐增加。

2.如权利要求1所述的铲掘系统，其特征在于，所述铲刀结构的触土表面为渐开线型结构。

3.如权利要求1所述的铲掘系统，其特征在于，所述铲刀装置还包括支撑板、连接板和加强板，其中所述连接板一端与所述支撑板连接，所述连接板的另一端与所述加强板连接，所述铲刀结构连接于所述加强板上。

4.如权利要求3所述的铲掘系统，其特征在于，所述铲刀装置的铲刀装置作业姿态角度为0度时，铲刀结构入土角度为15－30度，其中，所述铲刀装置作业姿态角度为所述支撑板的上表面与水平面的夹角，所述铲刀结构入土角度为所述铲刀结构最下端弧形结构的切线与水平方向的夹角。

5.如权利要求3或4所述的铲掘系统，其特征在于，所述铲刀装置的铲刀装置作业姿态角度为0度时，铲刀结构翻土角度为10－35度，其中，所述铲刀装置作业姿态角度为所述支撑板的上表面与水平面的夹角，所述铲刀结构翻土角度为所述铲刀结构最上端弧形结构的切线与水平方向的夹角。

6.如权利要求5所述的铲掘系统，其特征在于，还包括角位器和铲刀姿态控制油缸，所述角位器通过销轴枢接于所述支架上，所述铲刀姿态控制油缸的一端连接于所述支架上，另一端与所述角位器连接，所述铲刀装置的支撑板与所述角位器连接，从而能够控制所述铲刀装置相对于所述支架前后翻转。

7.如权利要求6所述的铲掘系统，其特征在于，所述角位器具 有滑槽，所述支撑板上下侧边具有滑动部，所述支撑板通过所述滑动部镶嵌于所述滑槽中且能相对于所述角位器侧向滑动。

8.如权利要求7所述的铲掘系统，其特征在于，所述铲掘系统还包括与所述支撑板连接的侧向滑动连接板，所述侧向滑动连接板与设置于所述支架上的铲刀侧向滑动控制油缸的一端连接，从而能够控制所述铲刀装置相对于所述角位器侧向滑动。

9.如权利要求3所述的铲掘系统，其特征在于，所述铲刀结构包括铲刀刀片和铲刀弧板，所述铲刀弧板连接于所述加强板上，所述铲刀刀片连接于所述铲刀弧板上。

10.如权利要求1所述的铲掘系统，其特征在于，所述涡轮箱的末端包括圆柱外齿轮，所述回转机构包括内齿圈，所述外齿轮与所述内齿圈形成齿轮啮合，涡轮箱通过所述齿轮啮合驱动所述回转机构实现回转。

11.一种平地机，其特征在于，包括如权利要求1－10之一所述的铲掘系统。