巖士振動(dòng)掘削技術(shù)研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)

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1、巖士振動(dòng)掘削技術(shù)研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)巖士振動(dòng)掘肖Ij技術(shù)研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)米屮南大學(xué)朱建新郭鑫鄒湘伏趙崇友:【摘耍:詳細(xì)分析了國(guó)內(nèi)外巖土振動(dòng)掘削技術(shù)的發(fā)展概況及其研允31振動(dòng)掘削技術(shù)在掘削阻力，功率消耗及施工效率等方面的研究應(yīng)用成果：1展趨勢(shì)作了展望.軋.，止.，止.，止應(yīng)用現(xiàn)狀，歸納和總結(jié)了巖土{e，并對(duì)巖土振動(dòng)掘削技術(shù)的發(fā)竹竹竹竹竹竹竹竹竹竹母關(guān)鍵詞:巖土切削振動(dòng)掘削振動(dòng)參數(shù)自從日本學(xué)者隈部淳一郎提出振動(dòng)切削理論以來(lái)，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者積極開(kāi)展研究.由于振動(dòng)切削技術(shù)具有顯著的優(yōu)越性，振動(dòng)切削設(shè)備已在機(jī)械加工生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，而如何把這種技術(shù)應(yīng)用于巖土的振動(dòng)掘削，使得

2、該技術(shù)能夠更有效地應(yīng)用于地基基礎(chǔ)開(kāi)挖，土石方工程建設(shè)施工和農(nóng)機(jī)耕耘作業(yè)等，這就引起了各國(guó)學(xué)者的深入思考和研究.因此，本文著重分析振動(dòng)掘削技術(shù)在工程機(jī)械和農(nóng)業(yè)機(jī)械的研究應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析與展望1國(guó)外研究現(xiàn)狀1935年俄國(guó)[11的科研人員首次報(bào)道了關(guān)于通過(guò)振動(dòng)減小鏟刃掘削土壤所需力的應(yīng)用情況.20世紀(jì)50年代以來(lái)，在巖土掘削，工程機(jī)械和農(nóng)業(yè)機(jī)械方面,振動(dòng)的應(yīng)用在國(guó)外逐漸增多，許多國(guó)家都相繼開(kāi)展了相應(yīng)的研究.主要在如下幾個(gè)方面：1.1工程機(jī)械方面的研究(1)挖掘機(jī)械方面的研究應(yīng)用振動(dòng)載荷作用于土壤所產(chǎn)生的效應(yīng)的基礎(chǔ)性研究是由美國(guó)工程師在上世紀(jì)50年代完成的.Mo

3、gami和Kubom通過(guò)在沙地的試驗(yàn),把振動(dòng)致使挖掘力減小與土壤”液化”聯(lián)系起來(lái).由于土壤表層的液化，振動(dòng)會(huì)使土壤表層間的摩擦減小，振動(dòng)剪切面就會(huì)出現(xiàn),從而更有利于土壤挖^.Winterkornp把這種現(xiàn)象稱作粗品粒的液體狀態(tài)，他的結(jié)論是振動(dòng)載荷的增加伴隨著土壤剪切力的減小.Cooper和McCreery[+J在粘土的試驗(yàn)中得到同樣的結(jié)論他們的解釋是由于土壤屮顆粒間的應(yīng)力轉(zhuǎn)移給孔隙水而出現(xiàn)的，孔隙水圧力的增高使土壤抗剪強(qiáng)度降低，甚至可以完全喪失，就成為剪切力迅速減小的主要原因.Savchenkol51指出沙土的內(nèi)摩擦系數(shù)隨著振動(dòng)的頻率和振幅的增大而減小;對(duì)于粘性土壤，當(dāng)

4、頻率和振幅增大時(shí)，土壤剪切力減小得更多.后來(lái),Kczdi」61于1974年提出土壤在振動(dòng)載荷作用下發(fā)生觸變變形的現(xiàn)象.通過(guò)進(jìn)一步分析可得出結(jié)論:各類土壤,尤其是飽和沙土在振動(dòng)載荷的作用下，由于孔隙水壓力的增大使土體的有效應(yīng)力減小，即抗剪強(qiáng)度減小，從而發(fā)生液化現(xiàn)象，加速土壤達(dá)到破壞狀態(tài).各國(guó)學(xué)者還通過(guò)建立振動(dòng)挖掘模型，研究振動(dòng)參數(shù)對(duì)挖掘阻力和功率消耗的影響.1967年Boyd和NaleznytT-計(jì)的數(shù)學(xué)模型由彈性力和庫(kù)倫摩擦力組成，模擬鏟刃水平振動(dòng)時(shí)的挖掘情況.試驗(yàn)結(jié)果表明，在給定的挖掘速度下鏟刃以正弦振動(dòng)方式對(duì)壓實(shí)沙土進(jìn)行挖掘時(shí)，隨著頻率，振幅的增大，平均挖掘阻力會(huì)減

5、小?實(shí)際挖掘阻力減小為不振動(dòng)情況下的25%.G叩tar和Rajput[Sl?.為振動(dòng)挖掘能形成比不振動(dòng)挖掘更小的土塊，當(dāng)振幅保持不變時(shí)，增大頻率并大于土壤的固有頻率并不能更有效地破碎土壤，而增大振幅卻可以更有效地破碎土壤?他們通過(guò)單位能量對(duì)土壤所造成的影響，來(lái)匹配最佳的振動(dòng)頻率和振幅,并由此得出重要結(jié)論:當(dāng)振動(dòng)的頻率接近于土壤的固有頻率時(shí)，能量的利用率最大，即能耗最小.1976年Yow和Smithp]對(duì)一維的正眩振動(dòng)挖掘鏟進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究他們得出結(jié)論:振動(dòng)挖掘的總能量大于不振動(dòng)的總能量，增加部分的能量是用于實(shí)現(xiàn)挖掘鏟的振動(dòng)，但最大挖掘阻力減小了40%.Busion和

6、Maclnlyret喲試驗(yàn)參數(shù)是:止弦激勵(lì)國(guó)家863項(xiàng)目:挖掘機(jī)的機(jī)電一體化及制造信息化(編號(hào)2003AA430200)工｛fi杠拭2006(1)-33—的頻率為50Hz,振幅為Xmm,挖掘速度為0.54—1.98km/h他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用振動(dòng)時(shí),一般情況下都需要增大總功率消耗，但牽引力最多可減小50%.日本T.Muro[t01等人針對(duì)振動(dòng)切削凝灰?guī)r石進(jìn)行了試驗(yàn)研究.經(jīng)測(cè)定，振動(dòng)時(shí)的水平切削阻力與無(wú)振動(dòng)時(shí)的水平切削阻力之比隨著振動(dòng)頻率的增加呈雙曲線急速下降，呈正弦波振動(dòng)時(shí)的挖掘比呈三角波振動(dòng)時(shí)的挖掘效率明顯提高，并得出如下結(jié)論：⑷當(dāng)振動(dòng)頻率為8Hz,振幅為0.80cm或振

7、動(dòng)頻率為10Hz,振幅為0.60cm時(shí)，切削阻力在水平方向和垂直方向以及綜合切削阻力都最?。?b)在取得最小切削阻力后，最大切削阻力隨著振動(dòng)頻率的提高而上升；(c)切削阻力有隨著切削速度提高而緩慢上升的趨勢(shì)；(d)止弦振動(dòng)狀態(tài)下的切削阻力及其分力要比在沒(méi)有振動(dòng)狀態(tài)下的小.當(dāng)振動(dòng)頻率為8Hz,振幅為0.8cm,切削速度為0.95cm/s時(shí)，振動(dòng)時(shí)的最大切削阻力比沒(méi)有振動(dòng)時(shí)減少了66.1%.在振動(dòng)頻率8Hz,切削速度為0.95cm/s時(shí)，振動(dòng)時(shí)的能暈消耗比無(wú)振動(dòng)時(shí)減少了89.0%.(1)其它鏟運(yùn)機(jī)械方面的研究應(yīng)用1962年P(guān)anagiotop