挖掘機鏟斗－土壤接觸系統(tǒng)的有限元分析及仿生設計.pdf

1、對于挖掘機、推土機、裝載機等工程機械來說，其觸土部件(挖掘機鏟斗、推土鏟、裝載機鏟斗)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設備的工作效率。而在具有一定土壤含水量的建設工地上，幾乎在每臺工程機械的觸土部件上，都會看到明顯的粘附現(xiàn)象，嚴重影響了工程機械的作業(yè)效率，直接造成了時間和能源的浪費，并且增大了環(huán)境的污染率。對于切削阻力大，土壤粘附嚴重這種現(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)過長期與自然界進行的物質(zhì)、能量及信息交換，造就了適應生態(tài)環(huán)境的系統(tǒng)，許多科學技術難題在生物界已經(jīng)獲得圓滿解決。某些動物，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重要工作是要對土壤等物質(zhì)實現(xiàn)挖掘功能，在其與土壤的主動適應過程中形成的最大特點是挖掘足發(fā)達，而這些動物爪趾的彎曲形狀又與挖掘機鏟斗、推土板、裝載機鏟斗等的曲面形狀有一定的相似之處，這就為工程機械觸土部件的減阻設計提供了仿生學研究基礎和切入點。

3、 本文提出了一種挖掘機鏟斗的仿生設計方案：在鏟斗容量基本不變的情況下，觸土面導線的上半部分由于主要是起到容器的作用，不做改動；下半部分的圓弧改成由動物爪趾內(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鏟斗和傳統(tǒng)挖掘機鏟斗的切削性能。 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，仿生挖掘機鏟斗能夠在土壤中行進較大的距離，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，給挖掘機鏟斗模型加載相同的水平正向的力，比較仿生挖掘機鏟斗和傳統(tǒng)挖掘機鏟斗的切削性能，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，仿生挖掘機鏟斗的切削性能理論上優(yōu)于傳統(tǒng)挖掘機鏟斗的切削性能。 本文又建立了仿生挖掘機鏟斗－土壤接觸系統(tǒng)三維有限元分析模型，考察了仿生挖掘機鏟斗對前方和