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[摘 要]斗轮切削阻力系数的取值是决定斗轮装置驱动功率设计计算非常重要的因素。本文在全面分析国内外同行对斗轮切削阻力系数选取方法和经验总结的基础之上，提出了斗轮切削阻力系数的详细测量与试验方案。
[关键词]斗轮切削力 切削阻力系数K 测量试验方案
中图分类号：TU124.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）47-0290-01
1 概述
斗轮堆取料机是在小型斗轮挖掘机的基础上发展起来的堆，取合一的轨道式移动装卸设备。因其具有取料能力大，料场占地面积小，操作方便，易实现自动控制等优点而被港口、电厂、冶金等大型料场广泛使用。
斗轮装置驱动功率的设计计算是斗轮堆取料机产品设计非常重要的组成部分，斗轮切削阻力系数是影响斗轮装置驱动功率设计计算至关重要的因素。
据此，本文在分析比较国内外同行对斗轮切削阻力系数选取方法和经验总结的基础之上，从不同的料场实际工况出发，提出了斗轮切削阻力系数的详细测量和试验方案，对今后斗轮装置驱动功率的设计计算必将产生积极的推动作用。
2 斗轮切削阻力系数K的分析与测定
斗輪切削阻力系数K是影响斗轮装置驱动功率设计计算至关重要的因素，需要根据现场
实际工况和产品设计结构特点进行选取。
2.1 KL和KA的比较选用
斗轮上的圆周切削力F可以写成与实际参与切削的切削刃长度，或参与切削的切削刃横截面总面积有关的公式。即：
KL=F/L kN/m
KA=F/A kN /m2
式中：
L---参与切削的切削刃总长，m
A---与切削的切削刃截面积，m2
KL---单位切削刃长度上的切削力，kN/m
KA---單位切削刃截面积上的切削力，kN/m2
由上式可知切削阻力系数的选用有两种情况：单位切削刃长度上的切削力KL；单位切削截面积上的切削力KA。
KA即没有考虑铲斗在两个回转方向切入工作面的情况所导致的切削刃长度的变化，也没有考虑由于使用斗齿结构所产生的切削面积的变化，而这些变化对机器作业时的生产能力有很大影响。
斗轮的取料过程不是一个单纯的切削过程，它必须克服把物料从工作面上采掘下来之前铲斗切入物料的贯穿阻力。因此单位长度上的切削力KL通常被看成是不变的，目前的设计计算中也常用KL进行切削功率的计算。然而铲斗的切削长度取决于铲斗相对于工作面的位置，角度和回转方向，因此准确测定实际参与切削的切削刃长度也是困难的。
2.2 KL和KA的经验测量和计算现状
现阶段还没有一种可以精确测量斗轮的切削阻力的方法，即使根据不同性质的物料来设计一种测量方法也是困难的。德国的黑默尔、迪茨希、克莱玛以及波兰的哈里莱克都已对切削阻力的测定有过深入的研究，但都没有找到比较明确有效的方法。
以下是两种根据不同的料场进行试验数据采集所得到的KL和KA的经验计算。
（1） KL的计算
玛茨恰科建立了KL和被挖掘物料的粘性系数C（MPa）之间的关系：
KL平均=15.85+1480C kN/m （3）
经试验证明粘性系数随着地表以下深度的增加而增加，其值在地表面为C=0.01MPa，
深度增加至140米时C=0.085 MPa.
（2） KA的计算
克虏伯工业技术公司经大量斗轮挖掘机的使用经验得出物料断裂载荷P与KA之间的关系曲线如表1所示。
图表中曲线1为KA的最低值，曲线2为KA的最高值。
上述两个K值的经验公式均是以矿石料场作为试验基地，以斗轮挖掘机作为实验对象进行数据采集的，在应用上有其局限性。斗轮堆取料机主要针对散状物料进行采掘，所面向的采掘对象和挖掘机相比较，不论是物料的硬度，强度，粘性还是物料从采掘对象上分离的方式属性，二者都有较大的区别。因此由这两个公式所取得的K值不能直接应用于斗轮取料机的计算上。
2.3 K值的测量和试验方案
目前我们在斗轮设计的过程中常用KL进行计算，并且根据所取物料的不同经验值为：KL煤=15 kN/m，KL矿石=30 kN/m；根据不同情况，K的取值大概在12-40之间。然而这些取值并不适用于斗轮堆取料机复杂的工况，在不同原料，温度，湿度的情况下，取料所需的切削力相差较大，校核功率时切削阻力系数的取值也应考虑到实际应用的料场情况。
在此基础上提出了K值试验测量的方案如下：
斗轮上的有效切削力来自斗轮电机，为了计算这个力，应该从电机总功率中减去物料的提升功率和摩擦功率，因而把物料从工作面上切削下来只有驱动功率的一部分是有效的。
目前我们的产品所针对的主要采掘对象是煤和矿石。根据不同的采掘对象和采掘工况将实验对象作如下分类：
1） 常温条件下的煤堆：这种情况下通常物料的湿度，黏度较大；
2） 较低温度条件下的煤堆：这种情况下应考虑物料冻结导致的强度增大；
3） 汽车运输条件下的煤堆：这种情况下，物料被汽车压实，挖掘阻力较大；
4） 常温条件下的矿石；
5） 较低温度条件下的矿石；
6） 其他：包括不同的料堆堆积方式，当地空气湿度，物料的粒度，强度等。
这些不同的工况条件会影响切削阻力系数的取值。
测量步骤如下：
1） 测量在额定工况下采掘不同物料时斗轮的电机功率W，此时斗轮取料量持续达到额定能力；
2） 分别计算斗轮的提升功率W2和摩擦功率W3；
3） 用测量得到的功率值W减去W2和W3即得到所需要的切削功率W1；
4） 实测斗轮圆周速度V；
5） 用公式F=W1/v计算得到切削阻力；
6） 实测参与挖掘的斗刃长度L（不是料斗的全部斗刃长度）；
7） 根据不同的物料，测得一系列F值和L值，采用统计学原理，就可以计算出适用于不同物料的切削阻力系数KL。
以上方案可以通过选择具有典型性的储存物料品种较齐全的用户料场，现场实测各种物料的切削阻力系数KL，可以为设计计算提供更为准确的物料特性数据，从而使斗轮驱动功率的设计更加合理。
3 结论
本文从不同的料场实际工况出发，提出的关于斗轮切削阻力系数的测量与试验方案，为斗轮切削阻力系数的选取提供了有效的理论依据，对今后斗轮装置驱动功率的设计计算将产生积极的推动作用。
参考文献
[1] 邵明亮 于国飞等主编.《斗轮堆取料机》.化学工业出版社，2007
[2] 欧阳日平 译.《散货连续装卸机械设计规范》.技术标准出版社，1981
[3] Tillmann，w.《Development of Bucket Wheel Excavators in the Federal Republic of Germany》，1982
[关键词]斗轮切削力 切削阻力系数K 测量试验方案
中图分类号：TU124.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）47-0290-01
1 概述
斗轮堆取料机是在小型斗轮挖掘机的基础上发展起来的堆，取合一的轨道式移动装卸设备。因其具有取料能力大，料场占地面积小，操作方便，易实现自动控制等优点而被港口、电厂、冶金等大型料场广泛使用。
斗轮装置驱动功率的设计计算是斗轮堆取料机产品设计非常重要的组成部分，斗轮切削阻力系数是影响斗轮装置驱动功率设计计算至关重要的因素。
据此，本文在分析比较国内外同行对斗轮切削阻力系数选取方法和经验总结的基础之上，从不同的料场实际工况出发，提出了斗轮切削阻力系数的详细测量和试验方案，对今后斗轮装置驱动功率的设计计算必将产生积极的推动作用。
2 斗轮切削阻力系数K的分析与测定
斗輪切削阻力系数K是影响斗轮装置驱动功率设计计算至关重要的因素，需要根据现场
实际工况和产品设计结构特点进行选取。
2.1 KL和KA的比较选用
斗轮上的圆周切削力F可以写成与实际参与切削的切削刃长度，或参与切削的切削刃横截面总面积有关的公式。即：
KL=F/L kN/m
KA=F/A kN /m2
式中：
L---参与切削的切削刃总长，m
A---与切削的切削刃截面积，m2
KL---单位切削刃长度上的切削力，kN/m
KA---單位切削刃截面积上的切削力，kN/m2
由上式可知切削阻力系数的选用有两种情况：单位切削刃长度上的切削力KL；单位切削截面积上的切削力KA。
KA即没有考虑铲斗在两个回转方向切入工作面的情况所导致的切削刃长度的变化，也没有考虑由于使用斗齿结构所产生的切削面积的变化，而这些变化对机器作业时的生产能力有很大影响。
斗轮的取料过程不是一个单纯的切削过程，它必须克服把物料从工作面上采掘下来之前铲斗切入物料的贯穿阻力。因此单位长度上的切削力KL通常被看成是不变的，目前的设计计算中也常用KL进行切削功率的计算。然而铲斗的切削长度取决于铲斗相对于工作面的位置，角度和回转方向，因此准确测定实际参与切削的切削刃长度也是困难的。
2.2 KL和KA的经验测量和计算现状
现阶段还没有一种可以精确测量斗轮的切削阻力的方法，即使根据不同性质的物料来设计一种测量方法也是困难的。德国的黑默尔、迪茨希、克莱玛以及波兰的哈里莱克都已对切削阻力的测定有过深入的研究，但都没有找到比较明确有效的方法。
以下是两种根据不同的料场进行试验数据采集所得到的KL和KA的经验计算。
（1） KL的计算
玛茨恰科建立了KL和被挖掘物料的粘性系数C（MPa）之间的关系：
KL平均=15.85+1480C kN/m （3）
经试验证明粘性系数随着地表以下深度的增加而增加，其值在地表面为C=0.01MPa，
深度增加至140米时C=0.085 MPa.
（2） KA的计算
克虏伯工业技术公司经大量斗轮挖掘机的使用经验得出物料断裂载荷P与KA之间的关系曲线如表1所示。
图表中曲线1为KA的最低值，曲线2为KA的最高值。
上述两个K值的经验公式均是以矿石料场作为试验基地，以斗轮挖掘机作为实验对象进行数据采集的，在应用上有其局限性。斗轮堆取料机主要针对散状物料进行采掘，所面向的采掘对象和挖掘机相比较，不论是物料的硬度，强度，粘性还是物料从采掘对象上分离的方式属性，二者都有较大的区别。因此由这两个公式所取得的K值不能直接应用于斗轮取料机的计算上。
2.3 K值的测量和试验方案
目前我们在斗轮设计的过程中常用KL进行计算，并且根据所取物料的不同经验值为：KL煤=15 kN/m，KL矿石=30 kN/m；根据不同情况，K的取值大概在12-40之间。然而这些取值并不适用于斗轮堆取料机复杂的工况，在不同原料，温度，湿度的情况下，取料所需的切削力相差较大，校核功率时切削阻力系数的取值也应考虑到实际应用的料场情况。
在此基础上提出了K值试验测量的方案如下：
斗轮上的有效切削力来自斗轮电机，为了计算这个力，应该从电机总功率中减去物料的提升功率和摩擦功率，因而把物料从工作面上切削下来只有驱动功率的一部分是有效的。
目前我们的产品所针对的主要采掘对象是煤和矿石。根据不同的采掘对象和采掘工况将实验对象作如下分类：
1） 常温条件下的煤堆：这种情况下通常物料的湿度，黏度较大；
2） 较低温度条件下的煤堆：这种情况下应考虑物料冻结导致的强度增大；
3） 汽车运输条件下的煤堆：这种情况下，物料被汽车压实，挖掘阻力较大；
4） 常温条件下的矿石；
5） 较低温度条件下的矿石；
6） 其他：包括不同的料堆堆积方式，当地空气湿度，物料的粒度，强度等。
这些不同的工况条件会影响切削阻力系数的取值。
测量步骤如下：
1） 测量在额定工况下采掘不同物料时斗轮的电机功率W，此时斗轮取料量持续达到额定能力；
2） 分别计算斗轮的提升功率W2和摩擦功率W3；
3） 用测量得到的功率值W减去W2和W3即得到所需要的切削功率W1；
4） 实测斗轮圆周速度V；
5） 用公式F=W1/v计算得到切削阻力；
6） 实测参与挖掘的斗刃长度L（不是料斗的全部斗刃长度）；
7） 根据不同的物料，测得一系列F值和L值，采用统计学原理，就可以计算出适用于不同物料的切削阻力系数KL。
以上方案可以通过选择具有典型性的储存物料品种较齐全的用户料场，现场实测各种物料的切削阻力系数KL，可以为设计计算提供更为准确的物料特性数据，从而使斗轮驱动功率的设计更加合理。
3 结论
本文从不同的料场实际工况出发，提出的关于斗轮切削阻力系数的测量与试验方案，为斗轮切削阻力系数的选取提供了有效的理论依据，对今后斗轮装置驱动功率的设计计算将产生积极的推动作用。
参考文献
[1] 邵明亮 于国飞等主编.《斗轮堆取料机》.化学工业出版社，2007
[2] 欧阳日平 译.《散货连续装卸机械设计规范》.技术标准出版社，1981
[3] Tillmann，w.《Development of Bucket Wheel Excavators in the Federal Republic of Germany》，1982