铲刀体、铲掘系统及平地机的制作方法

本发明涉及铲掘类工程机械领域，具体涉及一种铲刀体、铲掘系统及平地机。

背景技术：

平地机是一种以铲刀为主体、配以其他多种可换作业装置，用于进行土壤、沙石等散体物料推铲、平整和整形作业的铲掘类工程机械，主要用于道路、机场、农田、水利等大面积土壤平整及刮坡、挖沟、推土、松土、清除路面冰雪等施工作业，是国防、交通、水利基础设施建设的重要装备。随着大型基础设施建设逐年增多，应用平地机开展大方量散体物料重载推铲作业的工况越来越多。然而，由于铲刀结构设计不合理，导致在重载推铲作业时，平地机的铲掘性能较差，主要表现在以下三个方面：铲掘阻力较大、散体物料翻滚距离太近、轮胎经常打滑，系统动力发挥程度严重不足。

现有技术中公开了一种推土机的推土板，设有触土面、上端面、下端面和后端面，触土面为单段圆弧形成的曲面，触土面与后端面相对设置，在触土面顶端与后端面顶端之间水平设有上端面，在触土面底端与后端面底端之间倾斜设有下端面，下端面在水平方向倾斜。

发明人发现，现有技术中至少存在下述问题：平地机铲掘作业机理复杂，现有的单段圆弧型铲刀体适合于小土方量的刮平作业，在重载铲掘作业时，无法实现入土角度、翻土角度和铲掘作业角度同时达到最佳，导致铲刀铲掘阻力大、翻土距离近、铲掘效率低，容易打滑。

技术实现要素：

本发明的其中一个目的是提出一种铲刀体、铲掘系统及平地机，用以优化现有铲刀体的结构，以实现其入土角度、翻土角度和铲掘作业角度同时达到最佳，且便于加工制造。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供了一种铲刀体，包括铲刀刀片和至少两段拼接的圆弧板，所述铲刀刀片设于最边缘的所述圆弧板；各段所述圆弧板的半径不同。

在可选的实施例中，所述铲刀体的入土角度在31度至33度之间和/或翻土角度在37度至41度之间。

在可选的实施例中，所述铲刀体的铲掘角度在-5度至-10度之间。

在可选的实施例中，所述铲刀刀片与所述最边缘圆弧板可拆卸连接。

在可选的实施例中，所述圆弧板的半径从上自下依次增加。

在可选的实施例中，相邻的两段所述圆弧板焊接相连。

在可选的实施例中，铲刀体还包括连接件，所述圆弧板安装于所述连接件，所述连接件用于与角位器连接，所述连接件能带动所述圆弧板相对于所述角位器滑移。

本发明另一实施例提供一种铲掘系统，包括本发明任一技术方案所提供的铲刀体。

在可选的实施例中，所述铲刀体设于牵引架，所述铲刀体相对于所述牵引架的作业姿态能调整。

在可选的实施例中，所述铲刀体设于角位器，所述角位器设于所述牵引架，所述铲刀体能相对于所述角位器在第一方向上滑移。

在可选的实施例中，所述牵引架设于回转机构，所述牵引架可转动地设于所述回转机构，所述牵引架相对于所述回转机构的转动方向为第二方向，所述第一方向与所述第二方向不同。

在可选的实施例中，所述回转机构能带动所述牵引架同步回转。

本发明另一实施例提供一种平地机，包括本发明任一技术方案所提供的铲掘系统。

基于上述技术方案，本发明实施例至少可以产生如下技术效果：

上述实施例提供的技术方案，采用多段圆弧板拼接实现铲刀体所需要的形状，可实现入土角度、翻土角度和铲掘作业角度同时达到最佳，且各段圆弧板可以一次滚压成型，加工容易、制造精度易保证，使得平地机的铲掘性能及效率得到大幅提升。

附图说明

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

图1为本发明实施例提供的铲刀体安装在平地机上的结构示意图；

图2为图1中部分部件的分解示意图；

图3为本发明实施例提供的铲刀体结构示意图；

图4为平地机铲掘作业角度定义示意图一；

图5为本发明实施例提供的平地机整机结构简图及受力分析图；

图6为平地机铲掘作业系统结构简图；

图7为平地机铲掘作业角度定义示意图二。

附图标记：

1、铲刀刀片；2、圆弧板；3、连接件；4、牵引架；5、回转机构；6、背板；7、涡轮箱；8、角位器；9、销轴；10、铲刀体；12、铲刀姿态限位机构；31、钢板；32、滑道；33、连接板。

具体实施方式

下面结合图1～图7对本发明提供的技术方案进行更为详细的阐述。

参见图1至图3，本发明实施例提供的铲刀体10，可用于土壤、沙石等工程散料铲掘、平整和整形等施工机械领域，特别适用于平地机的铲掘系统。

参见图1和图3，本发明实施例提供一种铲刀体10，包括铲刀刀片1和至少两段拼接的圆弧板2，铲刀刀片1设于最边缘的圆弧板2；各段圆弧板2的半径不同。

铲刀体10高度可为580-640mm。铲刀体10高度是指铲刀体10弧形结构最上端与最下端间竖直距离。

圆弧板2的内弧面与铲刀刀片1的内弧面是圆滑过渡的，这种铲刀体10结构更加合理。参见图3，以铲刀体10安装后的方向作为参照，最边缘是指位于底端的那块圆弧板2，即最下方的圆弧板2。

上述技术方案，将铲刀体10的铲刀刀片1安装在由多段圆弧板2拼接形成的形状上，由于采用多段圆弧板2拼接形成弧形形状，每段圆弧板2的弧度可以根据需要设置，这样就能使得铲刀体10入土角度、翻土角度和铲掘角度三者同时达到重载铲掘作业时的最佳取值。另外，采用上述结构的铲刀体10能保持现有平地机铲刀基本框架不变，提升了铲刀体10所属平地机在空载时机动性能和重载作业时的铲掘性能，满足了国家基础设施建设过程中大土方量高效重载铲掘施工作业要求。

参见图3，本实施例中，铲刀体10还包括连接件3，圆弧板2安装于连接件3，连接件3用于与角位器8连接，参见图1，连接件3能带动圆弧板2相对于角位器8滑移。铲刀体10在工作过程中要实现姿态调整，姿态调整一般涉及回转、前后俯仰、左右滑移三个方向，此处的前后是以平地机的前后为参照，车头所在侧为前，车尾所在侧为后。通过连接件3相对于角位器8的滑移，能实现铲刀体10在左右方向滑移。

参见图3，连接件3具体包括钢板31、滑道32和连接板33。其中，圆弧板2安装在钢板31上，钢板31设置在滑道32上，滑道32设置在连接板33上，连接板33用于与侧向滑移油缸的一端连接，侧向滑移油缸的另一端与角位器8连接。圆弧板2与钢板31、钢板31与滑道32、滑道32与连接板33之间均可采用焊接。

参见图1，角位器8是平地机上用于控制入土角度的装置，其包括钢管以及焊接在钢管两端的角位板，角位器8可设置在回转机构5的内壁上。一方面，角位器8可以相对于回转机构5转动，另一方面角位器8可以随着回转机构5的回转而回转。即，铲刀体10能实现多个方向的姿态调节，本实施例中通过铲刀体10相对于角位器8的滑移、角位器8相对于回转机构5的转动、以及回转机构5自身的回转实现铲刀体10的在前后翻转、左右侧向滑移、以及360度的回转运动，即实现了全方位的姿态调整。后文铲掘系统的实施例中还将详细介绍此处。

重载铲掘过程中，铲刀体10的入土角度θ，翻土角度α以及铲掘角度的详细定义参见图4和图7。入土角度θ是指铲刀刀片1最下端弧形结构的切线与水平方向的夹角，其含义为铲刀最下端以多大的楔形角度侵入铲掘作业介质。

翻土角度α是指铲刀弧形结果最上端弧形结构切线与水平方向之间的夹角，其值优劣直接影响铲掘介质的翻滚距离。铲掘介质是指待铲掘的物料，比如为沙石、土壤等。

铲掘角度是指铲刀弧形结构弦线与竖直方向夹角，直接关系到重载铲掘作业时铲掘介质对铲刀的竖直作用力方向及大小。

本实施例中，铲刀体10的入土角度θ在31度至33度之间。

通过平地机与待铲掘散体作业介质间耦合机理研究，如图5，选择不同入土角度的铲刀体10进行铲掘过程研究，发现随着入土角度θ逐渐减小，平地机铲掘阻力逐渐降低；综合考虑铲刀结构限制因素，将入土角度θ调整为31度至33度，可降低铲掘作业阻力。入土角度θ比如为31度、31.5度、32度、32.5度、33度。本实施例中，将铲刀体10的入土角度θ由原来的大于35度调整为31度至33度，可降低铲掘作业阻力2.0％-3.7％。

铲刀体10的翻土角度α在37度至41度之间，比如为37度、38度、38.5度、39度、40度、41度，该角度范围可提高散体物料翻转距离10％以上。通过平地机与待铲掘散体作业介质间耦合机理研究，如图5，在相同铲掘速度条件下，待铲掘介质在铲刀推动下翻滚的水平距离越远，铲刀的翻土性能越好。在铲掘作业过程中，提取跟踪一个散体介质，其在铲刀推动作用下由铲刀弧形结构最下点图6中a点运动至了铲刀弧形结构最上点图6中b点，最终落在c点；则翻土角度α最佳取值问题可以转化为在b点具有相同运动速度的散体介质以何种角度α抛射能够实现最远抛射距离的问题。对于高度为580mm-640mm铲刀体10的较佳翻土角度α为37度至41度。参见图7，进一步地，铲刀刀片1与地面之间的安装角度δ比如为6度。弦长l如图7所示。

其中，在图6中，v0是指物料初始速度，vb则是在b点的速度，在直角坐标系下，其沿着x方向的分量为vbx、vby，b点与最高点之间的竖直距离为h1，a点距离c点的距离为s。

进一步地，铲刀体10的铲掘角度在-5度至-10度之间。本实施例中，铲掘角度比如为-5度、-6度、-7度、-8度、-9度、-10度。铲掘角度将重载铲掘作业的铲掘角度由原来的0度-8度调整为-5度至-10度，可提高散体物料反作用于铲刀体10上的竖直向下作用力15000n，防止轮胎打滑，使得系统动力得到充分发挥。

本发明实施例提供的铲刀体10，通过平地机与铲掘介质间耦合机理研究，提供了铲刀体10入土角度、翻土角度和铲掘角度在重载铲掘作业时的最佳取值。

本实施例中，铲刀刀片1与最边缘的圆弧板2可拆卸连接。进一步地，可以将铲刀刀片1螺栓连接在背板6上，然后将背板6与圆弧板2焊接相连。

采用多段圆弧拼接的方式构成平地机铲刀体10，拼接圆弧半径从上至下依次增加，同时满足入土角度、翻土角度和铲掘角度同时达到最佳值，提高了平地机的综合铲掘性能。

具体地，圆弧板2的半径从上自下依次增加。以有两段圆弧板2为例，位于上侧的圆弧板2的半径小位于下方的圆弧板2的半径。这样布置方式便于使得入土角度、翻土角度和铲掘角度同时达到最佳值。

具体而言，相邻的两段圆弧板2焊接相连。利用多段圆弧拼接的方式可实现铲刀体10入土角度、翻土角度和铲掘角度同时达到了最佳值，一方面可以通过调整平地机前后配重块的重量，降低了整机重量，满足了大土方量高效重载铲掘作业施工要求。另一方面，可以通过调整该弧形结构铲刀体的作业姿态，在作业时可以有效地将介质阻力向整机正压力转化，此时可以在不增加配重块重量、不调整配重块位置的前提下，使得整机附着力增加，动力发挥更大，能明显提升整机的牵引力。

进一步地，在保持前后桥荷比不变的情况下，通过铲刀体状态调整，使得介质阻力向轮胎正压力转化，可使整机重量降低，实现了整机轻量化设计，并提高了空载时的机动性能。以现有某型号总重量约为15.6t的平地机为例，上述技术方案虽然降低了平地机整机重量0.6t，但是由于增加了散体物料反作用于平地机铲刀的竖直向下作用力达到15000n，在重载铲掘作业时，平地机轮胎的正压力增加了0.9t，因此平地机的作业牵引力还是得到了大幅提高，使得平地机在空载行驶时的机动性能和重载作业时的铲掘性能趋于同向变化。

基于triz创新设计理论中的空间分离原则，提出了基于多段圆弧拼接方式的平地机铲刀体10弧形结构优化方案且从上至下圆弧半径依次增加，满足了入土角度、翻土角度和铲掘角度同时达到最佳值，提高了平地机的综合铲掘性能。铲刀加工简单、质量容易保证，圆弧拼接型铲刀体10加工简单，制造精度容易保证。

上述技术方案，通过平地机与散体物料耦合作用机理研究，并应用triz创新设计理论中的分离原理，提出了多段圆弧拼接型铲刀体10的结构优化方案，提升了大土方量重载铲掘作业性能。

本发明实施例提出的圆弧拼接型铲刀体10，采用多段圆弧拼接的新型结构，并进一步优化了入土角度、翻入角度和铲掘角度的取值以及整机重量，使整机重量降低，提高了空载机动性和重载铲掘性能，且加工制造容易，精度易保证，成本低廉。

图5为平地机整机结构简图及受力分析图，其核心工作装置铲掘系统位于前桥和后桥之间。倘若铲刀所受铲掘阻力即：作业介质的水平阻力f阻力越小，系统的铲掘效率越高；在相同铲刀高度条件下，铲刀体10翻土性能越好，铲掘介质被翻转的越远，铲掘性能越好；重载铲掘作业时，作业介质反作用于铲刀上的竖直向下作用力f铲刀越大(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f轮胎越大，系统的作业牵引性能越强(不易发生打滑)。图5中g、g1、g2表示重力。

上述技术方案不仅提高了平地机在空载行驶时的机动性能重量轻、惯性小、速度快，而且还提高了在重载铲掘作业时的铲掘性能，极大满足了客户需求。

参见图1、图2，本发明另一实施例提供一种铲掘系统，包括本发明任一技术方案所提供的铲刀体10。

参见图2，铲刀体10设于牵引架4，铲刀体10相对于牵引架4的作业姿态能调整。

具体地，铲刀体10设于角位器8，角位器8设于牵引架4，铲刀体10能现对于角位器8在第一方向上滑移。

为了实现铲刀体10在在第二方向上的姿态调整，牵引架4设于回转机构5，牵引架4可转动地设于回转机构5，牵引架4相对于回转机构5的转动方向为第二方向，第一方向与第二方向不同。比如，第一方向与第二方向不同其中一个为前后方向、另一个为左右方向。

进一步地，回转机构5能带动牵引架4同步回转。故铲刀体10亦能随着牵引架4的转动而同步转动。通过回转机构5能实现铲刀体10的回转方向的姿态调整。

参见图1、图2，铲掘系统主要由牵引架4、回转机构5、回转机构限位装置、涡轮箱7、铲刀体10、角位器8、铲刀姿态控制油缸和铲刀姿态限位机构12等部件组成。

工作时，回转机构5通过回转机构限位装置连接于牵引架4上，限制了回转机构5沿着其齿圈轴向地的运动。涡轮箱7在液压动力作用下通过齿轮啮合涡轮箱7末端外圆柱齿轮、回转机构5内圆柱齿轮啮合的方式驱动回转机构5实现绕其齿圈轴线方向360度的回转，最终实现铲刀的360度回转，见图1和图2所示。

铲刀体10的结构见图3所示，其滑道32镶嵌于角位器8的“u”形滑道中，并使得铲刀体10只可以在铲刀侧向滑移油缸(铲刀侧向滑移油缸一端连接铲刀体10的连接板33、一端连接角位器8)的驱动下沿着“u”形滑道进行侧向滑动运动。

参见图2，在o点处，利用销轴9将角位器8和回转机构5连接在一起，并利用铲刀姿态控制油缸控制角位器8沿着o点旋转，以实现铲刀作业姿态的变化。铲刀姿态限位机构12用于约束铲刀作业姿态在一定的范围内变化。工作时，在各种液压油缸的控制下，铲刀可实现左右侧向滑动、前后翻转运动以及360度的回转运动。

通过试制试验样机，并在相同条件相同铲掘介质、相同铲掘姿态、相同铲掘速度及相同铲掘深度等下，对原结构平地机及优化结构平地机的铲掘性能进行对比测试，试验测试结果表明：优化后，平地机铲掘阻力降低了2.0％-3.7％、作业牵引能力提高了15％-22％、铲刀翻土距离性能提高了10％。

本发明又一实施例提供一种平地机，包括本发明任一技术方案所提供的铲掘系统。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。