裝載機鏟斗斗形設計小議
　　摘要：指出裝載機鏟斗斗形設計的作用和意義,對裝載機鏟斗的分類和影響鏟裝性能的主要參數進行討論,介紹目前一些經驗性的裝載機鏟斗斗形設計方法,討論鏟斗斗形設計的相關理論問題和關鍵技術。
　　關鍵詞：裝載機;鏟斗;斗形設計;

　　鏟斗是裝載機用來鏟裝、運輸和卸載物料的工具；鏟斗形狀的合理設計，有利于減少插入阻力，提高整機生產能力和工作效率[1]。從設計過程看，鏟斗斗形設計是裝載機（正向）設計的“設計前端”，鏟斗鏟裝過程的受力情況和對物料做功的多少是裝載機整機和其他子系統（發動機、液壓系統和傳動系統等）的設計依據和出發點。因此，鏟斗斗形設計直接影響整機性能，是裝載機整機設計中十分重要的部分。

　　目前，國內工程機械領域對裝載機鏟斗斗形設計的關注不多。一方面是因為我國裝載機產品設計還在“模仿設計”的模式下進行，對鏟斗斗形參數如何影響鏟裝效率的認識和理解不深；另一方面，鏟斗斗形設計需要鏟斗作業阻力的研究作為支撐，而這是一項難度大、周期長、投入高的研究課題。國內的工程機械企業雖處于高速發展階段，但與國外某些知名企業相比，無論是資金投入還是技術水平都還存在較大差距。因此，從“效益/投入”的角度考慮，研發工作較少涉及鏟斗斗形設計。然而，我國的裝載機設計如果想要從“模仿設計”轉為“正向設計”，鏟斗斗形設計及其作業阻力研究又是我們不得不面對和解決的問題。
　　本文綜述目前裝載機鏟斗斗形設計的相關問題：介紹鏟斗的分類，斗形設計的主要參數，目前斗形設計所采用的經驗性方法和觀點，以及斗形設計的相關問題和關鍵技術。希望為進一步的裝載機鏟斗斗形設計研究打下良好的基礎。
　　1鏟斗的分類
　　裝載機鏟斗的分類其實是一種針對工況（物料）的分類。由于工況和物料的類型千差萬別，目前的裝載機制造廠商一般是按照物料的容重把物料分成若干類，為每一類物料設計一種鏟斗，以滿足該類物料的鏟裝要求。
　　國內的裝載機制造廠商對鏟斗分類較粗，通常會提供3類鏟斗供選配——巖石斗、通用斗（標準斗）和加大斗（松散物料斗）。一種機型一般只有一款通用斗，以5t級機型為例，通用斗斗容多為3m3。
　　而國外制造廠商給出的鏟斗分類較細，更有利于滿足不同工況的客戶需求，有助于提高整機的作業效率。例如：某名牌5t級機型，即圖1中機型1（為避免知識產權問題圖1中將公司名稱省略），按照物料容重大小可選配5種型號的通用斗，每一種斗又有3種配置（分別是帶斗齒，不帶斗齒以及斗齒加防磨底板）。通用斗的斗容為2.5~3.5m3，覆蓋了容重在1.42~2t/m3的物料范圍。圖1給出3款國外名牌5t級機型的鏟斗分類。圖1中括號內的數字代表廠家提供選配的鏟斗數量。
　　另外，裝載機廠商還會按照不同的安裝形式（如是否帶快換裝置），不同的工作裝置性質（如是不是高卸斗），或者特定的物料類型（如煤斗、垃圾斗或鋼渣斗等），給出專門的鏟斗類型和配置。
　　由于鏟斗是按照工況（物料）分類，在鏟斗設計時要求設計者了解目標工況的物料性質，主要包括：物料的容重、安息角等[2]。土方工程中把土壤（廣義上的土壤，包括巖石）按開挖難易程度分為16級，文獻[3]給出了工程機械主要涉及的I~VI類土壤分類和主要性質。
　　2鏟斗斗形設計的主要參數
　　裝載機鏟斗一般由前刃板、斗底壁、后壁、側刃、側壁、擋板以及鉸接耳板等焊接而成。一般來說，鏟斗的形狀（即斗形）可以用其斷面（橫截面）的形狀來表征，如圖2所示。各斗形參數的符號說明見表1，后文均采用表1中的符號進行論述。
　　鏟斗設計中，鏟斗幾何形狀的確定方法有兩種。一種是以鏟斗回轉半徑R0為參照，其他尺寸都表示為R0乘以一個系數[4]，本文稱之為“回轉半徑模型”。該模型的優點是簡單易用，通過系數描述了斗形。劉述學等[5]認為這樣的描述方法未能很好地反映鏟斗各種性能和參數的相互關系，原因是：（1）R0并不是鏟斗的基本參數，只是設計裝載機工作裝置的主要尺寸。（2）使用的系數過多，不利于分析各個參數對幾何形狀（乃至性能）的影響，不便于對參數進行試驗研究。（3）按回轉半徑模型得到的參數計算結果之間可能存在矛盾，需要進行修正。因此，另一種斗形參數模型[6]通過E0、底弧比D=L/R、側刃角E1[5]和擋板高度系數G=M/R確定鏟斗的幾何形狀，見圖2，本文稱之為“基本四參數模型”。它的特點是用參數之間的比值來描述斗“形”，減少了經驗系數的使用，簡化了計算過程，有利于研究和分析鏟斗參數對其工作阻力的影響。需要說明的是，回轉半徑R0和斗底角E2也是兩個重要的參數，因此在圖2中也同時標識出來。
　　楊占敏等[4]給出了另一種基本四參數模型，它通過選擇E0，R0，L和H[4]來確定鏟斗斷面的幾何形狀，參見圖2。兩種基本四參數模型非常類似，幾何意義是一致的。前者側重“形”，反映鏟斗各個主要尺寸的比例關系,適合研究斗形參數和其性能的關系；后者則較為直觀，有利于測繪和作圖。
　　3斗形設計的經驗性方法
　　3.1鏟斗設計的一般過程鏟斗設計一般是以原來經過實踐的合理斗形作為基型，做相似設計[4]。
　　對于回轉半徑模型，回轉半徑R0為給定值，或根據斗容和經驗系數對回轉半徑R0進行經驗計算。以鏟斗回轉半徑R0為基本參數，輔之以經驗系數（其他斗形參數與回轉半徑的比例系數），如：
　　斗底長度系數、后壁長度系數和擋板高度系數等，來確定鏟斗斗形的各個主要參數。詳細設計過程可參閱文獻[4]。
　　對于基本四參數模型，首先輸入機器額定載重量G和斗寬B0，確定鏟斗張角E0、底弧比D，通過計算獲得額定斗容。然后，確定斗容換算系數，從而將額定斗容換算為幾何斗容，計算獲得鏟斗截面積。
　　接著再確定E1，R，L和M等參數。具體參數確定方法見下一節，具體過程見文獻[6]。
　　3.2鏟斗斗形設計的經驗性觀點正向設計模式下的鏟斗設計，需要針對不同物料進行鏟斗作業阻力研究，根據試驗結果給出的“參數-性能”設計關聯關系，以此作為鏟斗參數設計的依據和參考。在以往的產品設計和研發中，設計者們對某些“參數-性能”設計關聯有了一定的認識，但并不全面，以下把這些經驗性方法和觀點做歸納和總結，希望能對設計人員有所啟發。
　　3.2.1斗容標準斗用來裝載容重1.4~1.6t/m3的物料（如砂、碎石和松散泥土等）；松散物料斗是標準斗容的1.4~1.6倍，用來鏟裝容重為1.0t/m3左右的物料（如煤、煤渣）；礦石斗斗容為正常斗容的60%~80%，用來裝載容重大于2t/m3的物料（如鐵礦石、巖石等）[8]。
　　在根據物料和機型的額定載重量確定了斗容大概范圍之后，具體的斗容大小的選取和確定遵循GB/T21942—2008《土方機械裝載機和正鏟挖掘機的鏟斗容量標定》中對斗容系列的規定，優先選擇第一系列的斗容作為設計目標。
　　3.2.2插入阻力文獻[6]給出了鏟斗插入阻力的的經驗公式，Fx=AeBx，其中x為水平插入深度，插入力Fx與水平插入深度呈指數關系，A和B為相關系數。該研究設計了9種鏟斗作對比試驗；其中，E1=40°，D=1.6的設計方案插入阻力較小。試驗結果表明：鏟斗幾何形狀對插入阻力影響大；滿斗系數和插入深度呈線性關系。但作者還認為，鏟斗幾何形狀對滿斗系數影響不大。
　　3.2.3鏟斗張角E0和底邊長度L張角E0應該等于所鏟物料料堆的堆積角α。
　　E0<α時，插入料堆一定深度后，鏟斗后壁上緣將與物料接觸，增加插入阻力；E0>α時，會使鏟斗的滿斗系數降低，同時可能因動臂的限制導致鏟斗在地面位置的上翻角度減小[6]。
　　為了在較高位與較大上翻角時不撒料，后擋板應略高于前刃。鏟斗下鉸點應盡量靠近鏟斗的后壁和斗底，同時要保證有足夠的強度。
　　當底邊L過長時，則鏟斗的鏟起力變小，由于前懸增大，影響車輛行駛的平穩性。插入料堆的插入阻力與刃口的插入深度急劇地成比例增加。相反，如底邊短，不但鏟斗的鏟起力大，相應的插入阻力也小，容易裝滿，但運輸時容易撒料；卸料時，斗刃口的降落高度小，易于將物料卸凈，有助于增加卸高。
　　3.2.4鏟斗鉸點布置鏟斗下鉸點B（見圖2）要盡量靠近鏟斗后壁和斗底，但又要保證該點有足夠的強度。B點距斗后壁之間的距離h與額定載重量G之間的關系為：
　　h=15×（G）1/5（mm），G的單位為kg，鉸點B距斗底的距離為姨2h。如果是六連桿機構的裝載機，鏟斗的上下鉸點距離不宜過大，否則會增加鏟斗連桿機構尺寸，給結構布置帶來麻煩[7]。為提高掘起力，鏟斗鉸銷的位置以近于刃口處為好，在極端時也有將鉸銷布置在鏟斗內部的情況[8]。
　　3.2.5側刃角E1郭凌汾等[6]分別取側刃角E1為90°，75°，60°和45°，在相同的物料中，以相同的切削速度和切深測試水平阻力，沒有發現鏟裝效果的明顯差異，因此，認為側刃角對水平切削阻力沒有影響。設計時，只考慮到鏟斗在較大舉升高度與較大上翻角時應使斗面近于水平，以減少物料的撒落并增大滿斗系數，一般取E1=50°~60°。有些加大斗（松散物料斗）出于增加斗容以及與機構設計匹配的考慮，取E1=75°。
　　另外，側刃的形狀大致可分為外凸弧型、直線型和內凹弧型3種。分別適用于松散物料斗、通用斗和巖石斗。而這3類鏟斗的側刃角大小呈由大到小的趨勢，可能是出于減小插入（切削）阻力的考慮，這與文獻[6]的觀點有矛盾。
　　3.2.6斗底弧半徑R斗底弧半徑R影響物料在斗中的流動性。一般認為，斗底弧半徑越大，物料在鏟斗中的流動性越好。流動性好有助于減小鏟裝阻力，卸料快而干凈。
　　但R過大會造成鏟斗不易裝滿，且鏟斗外形較高會影響司機觀察鏟斗斗刃情況[4]。
　　3.2.7前刀板的形狀和斗齒鏟斗切削刃形狀根據物料種類的不同而設計不同的形狀。直線型切削刃簡單并利于地面刮平作業，但切削阻力較大。非直線型切削刃有V形、弧形和梯形等。這些切削刃由于中間突出，在插入料堆時，插入力集中作用在斗刃突出部分，易于插入料堆；同時對減少“偏載切入”有一定的效果。非直線型切削刃的缺點是滿斗系數要小于直線型斗刃。
　　帶斗齒的鏟斗易于插入料堆，經驗證明：插入阻力能減小20%，特別是對料堆比較密實、大塊較多的情況。斗齒的形狀和間距對切削阻力有影響。一般中型裝載機的斗齒間距為250~300mm。齒間距太大，前刀板切削刃直接參與插入工作，使得阻力增大；齒間距太小，齒間易卡住石塊，也將增大阻力。長而窄的齒要比短而寬的齒插入阻力小，但太窄又容易損壞，所以齒寬以單位長度載荷不大于500~600kg/cm為宜[4]。
　　3.2.8斗形基本參數之間的耦合關系郭凌汾等[6]給出了基本四參數模型中4個參數的相互影響和關聯關系：
　　1）側面積一定時，E0對R無影響；2）側面積一定，D增大時，R迅速減小，L和R0迅速增加；3）側面積一定，E1增加時，R和R0略減。
　　上述觀點給出了鏟斗基本參數之間的相互關聯關系，有助于在設計鏟斗時進行參數優化。還有一些經驗性的設計觀點未一一列出，有興趣的讀者可查閱文后給出的參考文獻[6-10]。
　　4相關理論問題和關鍵技術
　　4.1“鏟斗-物料”相互作用理論研究“鏟斗-物料”相互作用理論和力學模型，是鏟斗斗形設計（乃至鏟斗作業阻力）研究的根本性問題[11]。
　　但該問題涉及土壤力學、散體力學等方面的研究；由于物料性態多種多樣，環境變化復雜，試驗和建模較困難。從1973年至今，研究者們對插入阻力已經提出了50多種經驗模型，但效果都不太理想[12]。農機領域對該問題研究較深入[13]，可供鏟斗斗形設計時參考。然而，要建立科學正確的“鏟斗-物料”力學模型，為鏟斗斗形設計提供支持，還有賴于相關學科和問題研究的進展和深入。
　　4.2試驗技術試驗是檢驗鏟斗斗形設計結果的主要手段，而鏟斗斗形設計也對試驗方法和技術提出了一些特殊的要求。例如，由于鏟裝過程中與物料接觸，鏟斗插入阻力無法通過在受力位置貼片的測量方法獲得，而只能在鏟斗動臂的鉸接點（或附件）選取測力點做間接測量。
　　在試驗環境方面，國內專門用于鏟裝試驗的試驗臺和試驗場地數量很少，嚴重制約了相關研究和工作的開展。相信隨著工程機械行業的快速發展、各個企業研發意識的增強，研發投入的加大，這一問題會逐步得到解決。
　　4.3離散元仿真分析1971年，Cundall博士提出了離散元方法（Discreteelementmethod，DEM），較初應用在巖土力學的研究[14]。經過40多年的發展，離散元方法已經有較成熟的商業化軟件可以用于工作裝置與工作介質接觸模型的仿真分析，如：ITASCA公司的PFC-2D和PFC-3D，DEM公司的EDEM等。在工程機械領域，已經有許多成功的應用案例，例如：以CAT980G的鏟斗為原型，對鏟斗和土相互作用的仿真模擬[15]；VOLVO曾采用離散元仿真分析結果為參考，進行裝載機鏟斗斗形的優化設計。
　　離散元仿真可獲取鏟斗與物料接觸過程中所受到的阻力，為研究“鏟斗-物料”相互作用提供有效的方法。然而，采用離散元仿真分析必須輸入物料的容重、滑動和滾動摩擦因數和物理顆粒硬度等參數。對于特定物料的參數，需要通過專門的試驗方法獲得[16]，這方面尚有待進一步研究。另一方面，離散元仿真本質上還是一種近似的數值計算方法，其結果與真實值有較大差距。因此，一般適用于定性分析和比較分析的依據。
　　4.4連桿機構和鏟斗斗形綜合設計鏟斗斗形設計和工作裝置的連桿機構密切相關，如何在綜合考慮連桿機構設計的情況下，對斗形參數進行優化設計，是一個值得進一步研究和探討的課題。
　　5結論
　　裝載機鏟斗斗形設計直接影響整機的鏟裝效率，我國的學者和工程師從20世紀80年代就開始了相關問題的研究，取得了一定的進展[6-10]。鏟斗與物料的作業阻力研究是鏟斗性能評價和斗形設計的基礎，研究難度大，周期長。隨著試驗環境的完善，以及新的試驗和仿真技術的引入，鏟斗斗形設計會得到進一步深入的研究。

　　本文對鏟斗斗形設計的相關研究做了較為全面的介紹，希望有助于鏟斗斗形設計工作及其相關問題研究的開展。

本文由 挖掘機破碎鏟斗 整理編輯。