鏟刀體、鏟掘系統及平地機的制作方法
本發明涉及鏟掘類工程機械領域，具體涉及一種鏟刀體、鏟掘系統及平地機。
背景技術：
平地機是一種以鏟刀為主體、配以其他多種可換作業裝置，用于進行土壤、沙石等散體物料推鏟、平整和整形作業的鏟掘類工程機械，主要用于道路、機場、農田、水利等大面積土壤平整及刮坡、挖溝、推土、松土、清除路面冰雪等施工作業，是國防、交通、水利基礎設施建設的重要裝備。隨著大型基礎設施建設逐年增多，應用平地機開展大方量散體物料重載推鏟作業的工況越來越多。然而，由于鏟刀結構設計不合理，導致在重載推鏟作業時，平地機的鏟掘性能較差，主要表現在以下三個方面：鏟掘阻力較大、散體物料翻滾距離太近、輪胎經常打滑，系統動力發揮程度嚴重不足。
現有技術中公開了一種推土機的推土板，設有觸土面、上端面、下端面和后端面，觸土面為單段圓弧形成的曲面，觸土面與后端面相對設置，在觸土面頂端與后端面頂端之間水平設有上端面，在觸土面底端與后端面底端之間傾斜設有下端面，下端面在水平方向傾斜。
發明人發現，現有技術中至少存在下述問題：平地機鏟掘作業機理復雜，現有的單段圓弧型鏟刀體適合于小土方量的刮平作業，在重載鏟掘作業時，無法實現入土角度、翻土角度和鏟掘作業角度同時達到最佳，導致鏟刀鏟掘阻力大、翻土距離近、鏟掘效率低，容易打滑。
技術實現要素：
本發明的其中一個目的是提出一種鏟刀體、鏟掘系統及平地機，用以優化現有鏟刀體的結構，以實現其入土角度、翻土角度和鏟掘作業角度同時達到最佳，且便于加工制造。
為實現上述目的，本發明提供了以下技術方案：
本發明提供了一種鏟刀體，包括鏟刀刀片和至少兩段拼接的圓弧板，所述鏟刀刀片設于最邊緣的所述圓弧板；各段所述圓弧板的半徑不同。
在可選的實施例中，所述鏟刀體的入土角度在31度至33度之間和/或翻土角度在37度至41度之間。
在可選的實施例中，所述鏟刀體的鏟掘角度在-5度至-10度之間。
在可選的實施例中，所述鏟刀刀片與所述最邊緣圓弧板可拆卸連接。
在可選的實施例中，所述圓弧板的半徑從上自下依次增加。
在可選的實施例中，相鄰的兩段所述圓弧板焊接相連。
在可選的實施例中，鏟刀體還包括連接件，所述圓弧板安裝于所述連接件，所述連接件用于與角位器連接，所述連接件能帶動所述圓弧板相對于所述角位器滑移。
本發明另一實施例提供一種鏟掘系統，包括本發明任一技術方案所提供的鏟刀體。
在可選的實施例中，所述鏟刀體設于牽引架，所述鏟刀體相對于所述牽引架的作業姿態能調整。
在可選的實施例中，所述鏟刀體設于角位器，所述角位器設于所述牽引架，所述鏟刀體能相對于所述角位器在第一方向上滑移。
在可選的實施例中，所述牽引架設于回轉機構，所述牽引架可轉動地設于所述回轉機構，所述牽引架相對于所述回轉機構的轉動方向為第二方向，所述第一方向與所述第二方向不同。
在可選的實施例中，所述回轉機構能帶動所述牽引架同步回轉。
本發明另一實施例提供一種平地機，包括本發明任一技術方案所提供的鏟掘系統。
基于上述技術方案，本發明實施例至少可以產生如下技術效果：
上述實施例提供的技術方案，采用多段圓弧板拼接實現鏟刀體所需要的形狀，可實現入土角度、翻土角度和鏟掘作業角度同時達到最佳，且各段圓弧板可以一次滾壓成型，加工容易、制造精度易保證，使得平地機的鏟掘性能及效率得到大幅提升。
附圖說明
此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。在附圖中：
圖1為本發明實施例提供的鏟刀體安裝在平地機上的結構示意圖；
圖2為圖1中部分部件的分解示意圖；
圖3為本發明實施例提供的鏟刀體結構示意圖；
圖4為平地機鏟掘作業角度定義示意圖一；
圖5為本發明實施例提供的平地機整機結構簡圖及受力分析圖；
圖6為平地機鏟掘作業系統結構簡圖；
圖7為平地機鏟掘作業角度定義示意圖二。
附圖標記：
1、鏟刀刀片；2、圓弧板；3、連接件；4、牽引架；5、回轉機構；6、背板；7、渦輪箱；8、角位器；9、銷軸；10、鏟刀體；12、鏟刀姿態限位機構；31、鋼板；32、滑道；33、連接板。
具體實施方式
下面結合圖1～圖7對本發明提供的技術方案進行更為詳細的闡述。
參見圖1至圖3，本發明實施例提供的鏟刀體10，可用于土壤、沙石等工程散料鏟掘、平整和整形等施工機械領域，特別適用于平地機的鏟掘系統。
參見圖1和圖3，本發明實施例提供一種鏟刀體10，包括鏟刀刀片1和至少兩段拼接的圓弧板2，鏟刀刀片1設于最邊緣的圓弧板2；各段圓弧板2的半徑不同。
鏟刀體10高度可為580-640mm。鏟刀體10高度是指鏟刀體10弧形結構最上端與最下端間豎直距離。
圓弧板2的內弧面與鏟刀刀片1的內弧面是圓滑過渡的，這種鏟刀體10結構更加合理。參見圖3，以鏟刀體10安裝后的方向作為參照，最邊緣是指位于底端的那塊圓弧板2，即最下方的圓弧板2。
上述技術方案，將鏟刀體10的鏟刀刀片1安裝在由多段圓弧板2拼接形成的形狀上，由于采用多段圓弧板2拼接形成弧形形狀，每段圓弧板2的弧度可以根據需要設置，這樣就能使得鏟刀體10入土角度、翻土角度和鏟掘角度三者同時達到重載鏟掘作業時的最佳取值。另外，采用上述結構的鏟刀體10能保持現有平地機鏟刀基本框架不變，提升了鏟刀體10所屬平地機在空載時機動性能和重載作業時的鏟掘性能，滿足了國家基礎設施建設過程中大土方量高效重載鏟掘施工作業要求。
參見圖3，本實施例中，鏟刀體10還包括連接件3，圓弧板2安裝于連接件3，連接件3用于與角位器8連接，參見圖1，連接件3能帶動圓弧板2相對于角位器8滑移。鏟刀體10在工作過程中要實現姿態調整，姿態調整一般涉及回轉、前后俯仰、左右滑移三個方向，此處的前后是以平地機的前后為參照，車頭所在側為前，車尾所在側為后。通過連接件3相對于角位器8的滑移，能實現鏟刀體10在左右方向滑移。
參見圖3，連接件3具體包括鋼板31、滑道32和連接板33。其中，圓弧板2安裝在鋼板31上，鋼板31設置在滑道32上，滑道32設置在連接板33上，連接板33用于與側向滑移油缸的一端連接，側向滑移油缸的另一端與角位器8連接。圓弧板2與鋼板31、鋼板31與滑道32、滑道32與連接板33之間均可采用焊接。
參見圖1，角位器8是平地機上用于控制入土角度的裝置，其包括鋼管以及焊接在鋼管兩端的角位板，角位器8可設置在回轉機構5的內壁上。一方面，角位器8可以相對于回轉機構5轉動，另一方面角位器8可以隨著回轉機構5的回轉而回轉。即，鏟刀體10能實現多個方向的姿態調節，本實施例中通過鏟刀體10相對于角位器8的滑移、角位器8相對于回轉機構5的轉動、以及回轉機構5自身的回轉實現鏟刀體10的在前后翻轉、左右側向滑移、以及360度的回轉運動，即實現了全方位的姿態調整。后文鏟掘系統的實施例中還將詳細介紹此處。
重載鏟掘過程中，鏟刀體10的入土角度θ，翻土角度α以及鏟掘角度
翻土角度α是指鏟刀弧形結果最上端弧形結構切線與水平方向之間的夾角，其值優劣直接影響鏟掘介質的翻滾距離。鏟掘介質是指待鏟掘的物料，比如為沙石、土壤等。
鏟掘角度
本實施例中，鏟刀體10的入土角度θ在31度至33度之間。
通過平地機與待鏟掘散體作業介質間耦合機理研究，如圖5，選擇不同入土角度的鏟刀體10進行鏟掘過程研究，發現隨著入土角度θ逐漸減小，平地機鏟掘阻力逐漸降低；綜合考慮鏟刀結構限制因素，將入土角度θ調整為31度至33度，可降低鏟掘作業阻力。入土角度θ比如為31度、31.5度、32度、32.5度、33度。本實施例中，將鏟刀體10的入土角度θ由原來的大于35度調整為31度至33度，可降低鏟掘作業阻力2.0％-3.7％。
鏟刀體10的翻土角度α在37度至41度之間，比如為37度、38度、38.5度、39度、40度、41度，該角度范圍可提高散體物料翻轉距離10％以上。通過平地機與待鏟掘散體作業介質間耦合機理研究，如圖5，在相同鏟掘速度條件下，待鏟掘介質在鏟刀推動下翻滾的水平距離越遠，鏟刀的翻土性能越好。在鏟掘作業過程中，提取跟蹤一個散體介質，其在鏟刀推動作用下由鏟刀弧形結構最下點圖6中a點運動至了鏟刀弧形結構最上點圖6中b點，最終落在c點；則翻土角度α最佳取值問題可以轉化為在b點具有相同運動速度的散體介質以何種角度α拋射能夠實現最遠拋射距離的問題。對于高度為580mm-640mm鏟刀體10的較佳翻土角度α為37度至41度。參見圖7，進一步地，鏟刀刀片1與地面之間的安裝角度δ比如為6度。弦長l如圖7所示。
其中，在圖6中，v0是指物料初始速度，vb則是在b點的速度，在直角坐標系下，其沿著x方向的分量為vbx、vby，b點與最高點之間的豎直距離為h1，a點距離c點的距離為s。
進一步地，鏟刀體10的鏟掘角度
本發明實施例提供的鏟刀體10，通過平地機與鏟掘介質間耦合機理研究，提供了鏟刀體10入土角度、翻土角度和鏟掘角度在重載鏟掘作業時的最佳取值。
本實施例中，鏟刀刀片1與最邊緣的圓弧板2可拆卸連接。進一步地，可以將鏟刀刀片1螺栓連接在背板6上，然后將背板6與圓弧板2焊接相連。
采用多段圓弧拼接的方式構成平地機鏟刀體10，拼接圓弧半徑從上至下依次增加，同時滿足入土角度、翻土角度和鏟掘角度同時達到最佳值，提高了平地機的綜合鏟掘性能。
具體地，圓弧板2的半徑從上自下依次增加。以有兩段圓弧板2為例，位于上側的圓弧板2的半徑小位于下方的圓弧板2的半徑。這樣布置方式便于使得入土角度、翻土角度和鏟掘角度同時達到最佳值。
具體而言，相鄰的兩段圓弧板2焊接相連。利用多段圓弧拼接的方式可實現鏟刀體10入土角度、翻土角度和鏟掘角度同時達到了最佳值，一方面可以通過調整平地機前后配重塊的重量，降低了整機重量，滿足了大土方量高效重載鏟掘作業施工要求。另一方面，可以通過調整該弧形結構鏟刀體的作業姿態，在作業時可以有效地將介質阻力向整機正壓力轉化，此時可以在不增加配重塊重量、不調整配重塊位置的前提下，使得整機附著力增加，動力發揮更大，能明顯提升整機的牽引力。
進一步地，在保持前后橋荷比不變的情況下，通過鏟刀體狀態調整，使得介質阻力向輪胎正壓力轉化，可使整機重量降低，實現了整機輕量化設計，并提高了空載時的機動性能。以現有某型號總重量約為15.6t的平地機為例，上述技術方案雖然降低了平地機整機重量0.6t，但是由于增加了散體物料反作用于平地機鏟刀的豎直向下作用力達到15000n，在重載鏟掘作業時，平地機輪胎的正壓力增加了0.9t，因此平地機的作業牽引力還是得到了大幅提高，使得平地機在空載行駛時的機動性能和重載作業時的鏟掘性能趨于同向變化。
基于triz創新設計理論中的空間分離原則，提出了基于多段圓弧拼接方式的平地機鏟刀體10弧形結構優化方案且從上至下圓弧半徑依次增加，滿足了入土角度、翻土角度和鏟掘角度同時達到最佳值，提高了平地機的綜合鏟掘性能。鏟刀加工簡單、質量容易保證，圓弧拼接型鏟刀體10加工簡單，制造精度容易保證。
上述技術方案，通過平地機與散體物料耦合作用機理研究，并應用triz創新設計理論中的分離原理，提出了多段圓弧拼接型鏟刀體10的結構優化方案，提升了大土方量重載鏟掘作業性能。
本發明實施例提出的圓弧拼接型鏟刀體10，采用多段圓弧拼接的新型結構，并進一步優化了入土角度、翻入角度和鏟掘角度的取值以及整機重量，使整機重量降低，提高了空載機動性和重載鏟掘性能，且加工制造容易，精度易保證，成本低廉。
圖5為平地機整機結構簡圖及受力分析圖，其核心工作裝置鏟掘系統位于前橋和后橋之間。倘若鏟刀所受鏟掘阻力即：作業介質的水平阻力f阻力越小，系統的鏟掘效率越高；在相同鏟刀高度條件下，鏟刀體10翻土性能越好，鏟掘介質被翻轉的越遠，鏟掘性能越好；重載鏟掘作業時，作業介質反作用于鏟刀上的豎直向下作用力f鏟刀越大(當豎直向下作用力為負數時表明豎直作用力方向向上)，平地機輪胎與地面間的豎直正壓力越大，輪胎的附著力f輪胎越大，系統的作業牽引性能越強(不易發生打滑)。圖5中g、g1、g2表示重力。
上述技術方案不僅提高了平地機在空載行駛時的機動性能重量輕、慣性小、速度快，而且還提高了在重載鏟掘作業時的鏟掘性能，極大滿足了客戶需求。
參見圖1、圖2，本發明另一實施例提供一種鏟掘系統，包括本發明任一技術方案所提供的鏟刀體10。
參見圖2，鏟刀體10設于牽引架4，鏟刀體10相對于牽引架4的作業姿態能調整。
具體地，鏟刀體10設于角位器8，角位器8設于牽引架4，鏟刀體10能現對于角位器8在第一方向上滑移。
為了實現鏟刀體10在在第二方向上的姿態調整，牽引架4設于回轉機構5，牽引架4可轉動地設于回轉機構5，牽引架4相對于回轉機構5的轉動方向為第二方向，第一方向與第二方向不同。比如，第一方向與第二方向不同其中一個為前后方向、另一個為左右方向。
進一步地，回轉機構5能帶動牽引架4同步回轉。故鏟刀體10亦能隨著牽引架4的轉動而同步轉動。通過回轉機構5能實現鏟刀體10的回轉方向的姿態調整。
參見圖1、圖2，鏟掘系統主要由牽引架4、回轉機構5、回轉機構限位裝置、渦輪箱7、鏟刀體10、角位器8、鏟刀姿態控制油缸和鏟刀姿態限位機構12等部件組成。
工作時，回轉機構5通過回轉機構限位裝置連接于牽引架4上，限制了回轉機構5沿著其齒圈軸向地的運動。渦輪箱7在液壓動力作用下通過齒輪嚙合渦輪箱7末端外圓柱齒輪、回轉機構5內圓柱齒輪嚙合的方式驅動回轉機構5實現繞其齒圈軸線方向360度的回轉，最終實現鏟刀的360度回轉，見圖1和圖2所示。
鏟刀體10的結構見圖3所示，其滑道32鑲嵌于角位器8的“u”形滑道中，并使得鏟刀體10只可以在鏟刀側向滑移油缸(鏟刀側向滑移油缸一端連接鏟刀體10的連接板33、一端連接角位器8)的驅動下沿著“u”形滑道進行側向滑動運動。
參見圖2，在o點處，利用銷軸9將角位器8和回轉機構5連接在一起，并利用鏟刀姿態控制油缸控制角位器8沿著o點旋轉，以實現鏟刀作業姿態的變化。鏟刀姿態限位機構12用于約束鏟刀作業姿態在一定的范圍內變化。工作時，在各種液壓油缸的控制下，鏟刀可實現左右側向滑動、前后翻轉運動以及360度的回轉運動。
通過試制試驗樣機，并在相同條件相同鏟掘介質、相同鏟掘姿態、相同鏟掘速度及相同鏟掘深度等下，對原結構平地機及優化結構平地機的鏟掘性能進行對比測試，試驗測試結果表明：優化后，平地機鏟掘阻力降低了2.0％-3.7％、作業牽引能力提高了15％-22％、鏟刀翻土距離性能提高了10％。
本發明又一實施例提供一種平地機，包括本發明任一技術方案所提供的鏟掘系統。
在本發明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗指所指的裝置或元件必須具有特定的方位、為特定的方位構造和操作，因而不能理解為對本發明保護內容的限制。
最后應說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換，但這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和范圍。
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