挖掘機(jī)鏟斗－土壤接觸系統(tǒng)的有限元分析及仿生設(shè)計(jì).pdf

1、對(duì)于挖掘機(jī)、推土機(jī)、裝載機(jī)等工程機(jī)械來說，其觸土部件(挖掘機(jī)鏟斗、推土鏟、裝載機(jī)鏟斗)為其主要工作部件，這些觸土部件的脫土、減阻性能直接影響整臺(tái)設(shè)備的工作效率。而在具有一定土壤含水量的建設(shè)工地上，幾乎在每臺(tái)工程機(jī)械的觸土部件上，都會(huì)看到明顯的粘附現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了工程機(jī)械的作業(yè)效率，直接造成了時(shí)間和能源的浪費(fèi)，并且增大了環(huán)境的污染率。對(duì)于切削阻力大，土壤粘附嚴(yán)重這種現(xiàn)象，考慮如何減小切削阻力，如何減少粘附，才是解決問題的根本。 由

2、于生物經(jīng)過長期與自然界進(jìn)行的物質(zhì)、能量及信息交換，造就了適應(yīng)生態(tài)環(huán)境的系統(tǒng)，許多科學(xué)技術(shù)難題在生物界已經(jīng)獲得圓滿解決。某些動(dòng)物，例如老鼠（家鼠和田鼠）、螻蛄、公雞、穿山甲等，日常需要完成的一項(xiàng)重要工作是要對(duì)土壤等物質(zhì)實(shí)現(xiàn)挖掘功能，在其與土壤的主動(dòng)適應(yīng)過程中形成的最大特點(diǎn)是挖掘足發(fā)達(dá)，而這些動(dòng)物爪趾的彎曲形狀又與挖掘機(jī)鏟斗、推土板、裝載機(jī)鏟斗等的曲面形狀有一定的相似之處，這就為工程機(jī)械觸土部件的減阻設(shè)計(jì)提供了仿生學(xué)研究基礎(chǔ)和切入點(diǎn)。

3、 本文提出了一種挖掘機(jī)鏟斗的仿生設(shè)計(jì)方案：在鏟斗容量基本不變的情況下，觸土面導(dǎo)線的上半部分由于主要是起到容器的作用，不做改動(dòng)；下半部分的圓弧改成由動(dòng)物爪趾內(nèi)輪廓線成比例縮放而成的仿生曲線。然后采用有限元法分別比較了仿生挖掘機(jī)鏟斗和傳統(tǒng)挖掘機(jī)鏟斗的切削性能。 研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在不同切削深度下，分別給挖掘機(jī)鏟斗模型加載相同的水平正向的力和加載相同的繞z軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩，仿生挖掘機(jī)鏟斗能夠在土壤中行進(jìn)較大的距離，土壤單元在垂直正向獲得較大

4、位移，在垂直負(fù)向產(chǎn)生較小的距離，即輸入功率相同，做的有用功較大，提高了工作效率。 在不同的入土角（10°至90°）下，給挖掘機(jī)鏟斗模型加載相同的水平正向的力，比較仿生挖掘機(jī)鏟斗和傳統(tǒng)挖掘機(jī)鏟斗的切削性能，找出較優(yōu)的入土角約為40°。 二維有限元仿真分析的結(jié)果表明了，仿生挖掘機(jī)鏟斗的切削性能理論上優(yōu)于傳統(tǒng)挖掘機(jī)鏟斗的切削性能。 本文又建立了仿生挖掘機(jī)鏟斗－土壤接觸系統(tǒng)三維有限元分析模型，考察了仿生挖掘機(jī)鏟斗對(duì)前方和