李茹 徐武彬 李冰 楊旭

摘 要：為了研究不同因素對(duì)裝載機(jī)鏟斗鏟裝阻力的影響，在UG軟件中建立了鏟斗的三維模型，使用ATOS Compact Scan 2M三維光學(xué)掃描系統(tǒng)獲取了物料的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)的處理和仿真參數(shù)的設(shè)置，在EDEM軟件中建立了鏟掘工況的鏟裝模型，并用實(shí)驗(yàn)和仿真對(duì)比的方法驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性；其后進(jìn)行了鏟裝過(guò)程仿真，具體分析了鏟斗不同部位在鏟裝過(guò)程的不同階段的鏟裝阻力，找出了鏟裝阻力峰值所處的部位及其所在的階段；然后選取對(duì)鏟裝阻力影響較大的4個(gè)因素，采用正交模擬分析方法和極差法分析了這些因素對(duì)該阻力峰值部位受力的影響，得出影響因素大小依次為粒徑、斗寬、插入速度、顆粒形狀，為以后節(jié)能減耗為目標(biāo)的新式鏟斗設(shè)計(jì)和鏟裝軌跡優(yōu)化提供了依據(jù).

關(guān)鍵詞：裝載機(jī)鏟斗；離散單元法；EDEM；正交模擬分析方法；鏟裝阻力；節(jié)能減耗

中圖分類號(hào)：TH243 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

起重機(jī)作為現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)和起重運(yùn)輸行業(yè)的重要工具和設(shè)備之一，在運(yùn)輸行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[1]，而裝載機(jī)作為行車式裝卸起重機(jī)是大型的土方機(jī)械設(shè)備，它集鏟裝、運(yùn)輸和卸載為一體，在建筑、工業(yè)和農(nóng)業(yè)等方面發(fā)揮著舉足輕重的作用[2].裝載機(jī)鏟斗的鏟裝阻力即裝載機(jī)鏟斗在作業(yè)時(shí)，物料堆對(duì)鏟斗產(chǎn)生的阻力.采用鏟斗鏟掘方式作業(yè)時(shí)，鏟斗的阻力分為鏟斗切向阻力和鏟斗法向阻力[3].鏟裝阻力過(guò)大使裝載機(jī)的能耗過(guò)大，功率消耗過(guò)高，輪胎打滑，裝載時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，使得裝載機(jī)作業(yè)成本變高，作業(yè)效率變低[4].在鏟裝過(guò)程的不同階段，鏟斗各部分的受力情況不同，若將鏟斗作為一個(gè)整體進(jìn)行受力分析，無(wú)法為后續(xù)的優(yōu)化提供參考[5].為了給后期優(yōu)化提供依據(jù)，結(jié)合逆向工程技術(shù)和離散單元法，運(yùn)用離散元軟件EDEM，具體分析了鏟裝過(guò)程中鏟斗各個(gè)部分的受力；通過(guò)正交試驗(yàn)?zāi)M法，研究了對(duì)鏟裝阻力影響較大的因素對(duì)阻力峰值部位受力的影響，為以后節(jié)能減耗為目標(biāo)的鏟斗設(shè)計(jì)、工作裝置動(dòng)力的合理分配和鏟裝軌跡優(yōu)化提供了依據(jù).

1 鏟掘工況鏟裝模型的建立及驗(yàn)證

離散單元法是一種研究復(fù)雜離散系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程和載荷分布的新型數(shù)值方法，適用于模擬顆粒—結(jié)構(gòu)相互作用的問題.采用離散單元法可以準(zhǔn)確分析求解鏟斗—物料間的受力情況.其算法是把散體介質(zhì)看成一個(gè)整體，再將其內(nèi)部分為若干個(gè)單元，這些單元都是獨(dú)立的.然后根據(jù)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)的基本定律，在每一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)計(jì)算每一個(gè)單元的力和位移，不斷地計(jì)算和循環(huán)，直到運(yùn)行到最后一個(gè)步長(zhǎng)為止，最后得到鏟斗和物料的運(yùn)動(dòng)和受力情況[6].EDEM軟件是一款有強(qiáng)大的建模、仿真和后處理能力的離散元分析軟件.將鏟斗模型導(dǎo)入到EDEM軟件中，在EDEM中建立完整的鏟斗鏟裝模型，其后經(jīng)過(guò)與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比驗(yàn)證，即可使用建立的虛擬鏟裝模型進(jìn)行鏟裝阻力分析.

1.1 鏟斗幾何模型的建立

經(jīng)過(guò)適度的簡(jiǎn)化和分塊處理，在UG中建立某裝載機(jī)鏟斗的三維模型，可分為斗底板、斗后壁（后擋板與斗后壁合并）、圓弧斗壁、左側(cè)壁、 右側(cè)壁等5個(gè)部分，其中斗寬為2 000 mm，圓弧半徑為290 mm.將這5個(gè)部分分塊導(dǎo)入EDEM軟件中，以便后續(xù)的受力分析.鏟斗分塊圖如圖1所示.

1.2 基于逆向工程技術(shù)的物料堆模型的建立

此款鏟斗為巖石斗，常用來(lái)鏟裝巖石物料，參考相關(guān)文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)，物料和鏟斗的材料屬性參數(shù)以及材料間的接觸屬性參數(shù)如表1和表2所示[7].實(shí)際作業(yè)中巖石按照粒徑（直徑）大小可分為大中小3種，在實(shí)際物料堆中選取一塊有代表性的巖石，其等效粒徑為250 mm.采用德國(guó)GOM公司的ATOS Compact Scan 2M三維光學(xué)掃描系統(tǒng)進(jìn)行反求，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的去噪、清理和簡(jiǎn)化等步驟，獲得了巖石的點(diǎn)云圖，如圖2所示.通過(guò)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和曲面造型，獲得巖石完整的表面輪廓，然后在EDEM中使用正態(tài)填充法和均勻法相結(jié)合的累積填充方法填充此輪廓，從而建立了物料模型，如圖3所示，并以此建立了完整的物料堆模型.

1.3 鏟裝模型的驗(yàn)證

通過(guò)自然安息角來(lái)驗(yàn)證鏟裝模型的正確性，自然安息角即物料在堆放時(shí)能夠保持自然穩(wěn)定狀態(tài)下的料堆與地面的最大角度.自然安息角是影響鏟裝阻力的重要因素，仿真模型中的物料堆安息角與實(shí)測(cè)的安息角越相近，則仿真模型就越精確.取鏟掘工況下的物料，進(jìn)行多次無(wú)底圓筒安息角實(shí)驗(yàn)，測(cè)得料堆的自然安息角在36°～40°之間；同樣地，在EDEM中進(jìn)行多次虛擬安息角實(shí)驗(yàn)，測(cè)得料堆的自然安息角在32°～35°之間，平均誤差12%.將仿真模型中的各參數(shù)在參考范圍內(nèi)進(jìn)行反復(fù)修正，平均誤差在5%以內(nèi)，滿足了精度要求.通過(guò)仿真和試驗(yàn)的對(duì)比，驗(yàn)證并修正了仿真模型的正確性，為后續(xù)的分析提供了依據(jù).

2 鏟掘工況下的鏟斗鏟裝阻力分析

裝載機(jī)將鏟掘工況時(shí)的實(shí)際鏟裝過(guò)程適當(dāng)簡(jiǎn)化，將其分為水平插入階段和鏟取階段：水平插入階段共12 s，鏟斗的速度為0.2 m/s；鏟取階段共2 s，鏟斗的角速度為0.15 rad/s.鏟裝過(guò)程中，物料對(duì)鏟斗的作用力如圖4所示.圖中F1是物料對(duì)鏟斗底刃的作用力，F(xiàn)2是物料對(duì)鏟斗底板下表面的作用力，F(xiàn)3是鏟斗底板所受的摩擦力，F(xiàn)4和F5分別是物料對(duì)鏟斗左右側(cè)刃的作用力， F6和F7分別是鏟斗左右側(cè)板所受的摩擦力， F8是鏟斗內(nèi)物料的重力，F(xiàn)9是鏟斗前方物料對(duì)鏟斗內(nèi)物料的作用力[8].由于散體物料運(yùn)動(dòng)的不確定性，做3次～4次仿真，采用一致性較好的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.

2.1 水平插入階段的鏟裝阻力分析

在EDEM中得出鏟斗各個(gè)部位在水平插入階段的受力圖，為了便于分析，將這5組數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Matlab中，如圖5所示.

2.1.1 斗底板受力分析 斗底板受力主要是F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)8和F9.由于F3，F(xiàn)8整體不斷增加，F(xiàn)1和F9是波動(dòng)的，斗底整體受力先增后減最后平穩(wěn)，局部有波動(dòng).后期由于鏟裝物料量已經(jīng)達(dá)到極限，F(xiàn)8已達(dá)最大且物料已趨于穩(wěn)定狀態(tài)，受力逐漸平穩(wěn).

2.1.2 圓弧斗壁受力分析 圓弧斗壁受力主要是F8和F9.圓弧斗壁開始受力的時(shí)間比斗底板晚，這是因?yàn)榍捌趫A弧斗壁與物料沒有接觸.隨著F8不斷增加，圓弧斗壁的受力不斷增加；中期在圓弧斗壁內(nèi)的物料呈不穩(wěn)定狀態(tài)，圓弧斗壁的受力是波動(dòng)的；后期由于圓弧斗壁內(nèi)的物料趨于穩(wěn)定狀態(tài)，受力基本穩(wěn)定.

2.1.3 左側(cè)壁受力分析 左側(cè)壁的受力主要是F4和F6.前期由于鏟斗底板在前推開物料，左側(cè)板幾乎不受力；隨著接觸物料不斷增多，F(xiàn)6不斷增大，鏟斗開始不斷擠壓物料堆，F(xiàn)4也不斷增大，物料堆中出現(xiàn)密實(shí)核，需要不斷破壞密實(shí)核向前運(yùn)動(dòng)，阻力不斷增大.中期鏟斗受力有降低趨勢(shì)，這是因?yàn)榍耙浑A段擠壓物料形成的密實(shí)核不斷被破壞，F(xiàn)4不斷減小，密實(shí)核被破壞后，F(xiàn)4不再一直減小，由于繼續(xù)擠壓物料而呈波動(dòng)趨勢(shì)，隨著F6的增大，受力在一直波動(dòng)，后期鏟斗繼續(xù)擠壓物料，再次經(jīng)歷了密實(shí)核的形成、破壞和繼續(xù)擠壓物料過(guò)程，受力先增后降再增加.

2.1.4 右側(cè)壁受力分析 右側(cè)壁受力主要是F5和F7.可以看出，右側(cè)壁受力趨勢(shì)和左側(cè)板基本相同，這和理論分析相符合，再次印證了仿真的正確性.

2.1.5 斗后壁受力分析 斗后壁受力主要是F9，因此斗后壁開始受力的時(shí)間最晚.斗后壁的受力隨著接觸物料的增多而急劇增加.

2.2 鏟取階段的鏟裝阻力分析

同樣地，在Matlab中繪制出鏟斗各個(gè)部位在鏟取階段各部分的受力圖，如圖6所示.

2.2.1 斗底板受力分析 由于鏟斗向上翻轉(zhuǎn)，斗底板所受的F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3都大大減小，F(xiàn)8先前由斗底板承擔(dān)主要部分，此階段逐步向圓弧斗壁轉(zhuǎn)移，因此，此階段斗底板受力呈下降趨勢(shì).

2.2.2 圓弧斗壁受力分析 由于鏟斗的翻轉(zhuǎn)，圓弧斗壁此階段主要的受力為F8.因此，圓弧斗壁受力趨于穩(wěn)定.

2.2.3 左側(cè)板受力分析 左側(cè)板主要受力為F4和F6，在此階段，由于鏟斗的翻轉(zhuǎn)，F(xiàn)4下降.鏟取中后期，達(dá)到了一定的翻轉(zhuǎn)角度之后，對(duì)鏟斗有作用力的物料堆范圍逐漸減小，因此鏟斗對(duì)左側(cè)刃的作用力明顯下降.

2.2.4 右側(cè)板受力分析 左側(cè)板和右側(cè)板的受力趨勢(shì)基本相同，只是由于物料堆運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定性，兩側(cè)受力略有不同，再次印證了仿真的準(zhǔn)確性.

2.2.5 斗后壁受力分析 F8主要往圓弧斗壁轉(zhuǎn)移，因此階段斗后壁受力較小.

2.3 小結(jié)

從受力圖上看，斗底板的受力是最大的.由于鏟斗各部分面積不同，使用等效峰值來(lái)反映每部分的受力程度[9].等效峰值即受力峰值除以面積系數(shù)，面積系數(shù)即為面積值，=.鏟斗各部分等效峰值如表3所示.

由表3可見，在整個(gè)階段，斗底板的受力都是最大的， 等效峰值為75 736 N；而斗后壁和圓弧斗壁的受力峰值較小，受力峰值均出現(xiàn)在水平插入階段.

3 鏟斗鏟裝阻力的正交模擬分析

前面的分析得出：在鏟裝過(guò)程中，斗底板的等效峰值最大，而且出現(xiàn)在水平插入階段.對(duì)水平插入階段幾個(gè)重要因素對(duì)斗底板等效受力峰值的影響進(jìn)行研究，為設(shè)計(jì)節(jié)能高效的斗形、合理安排工作裝置動(dòng)力分配和優(yōu)化鏟裝軌跡提供依據(jù).

3.1 正交試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)影響鏟裝阻力的因素進(jìn)行的文獻(xiàn)調(diào)研得出：鏟裝阻力受物料形狀、斗寬、粒徑大小、插入速度這4個(gè)因素影響較大，故選取A（顆粒形狀），B（斗寬），C（插入速度），D（粒徑）這些因素進(jìn)行四因素三水平正交試驗(yàn)分析.顆粒形狀選擇三角錐形、長(zhǎng)橢圓形和四方塊形；結(jié)合實(shí)際工況和相關(guān)文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)，確定了粒徑的3個(gè)水平[10]；斗寬和插入速度的選擇則由實(shí)際工況確定.試驗(yàn)方案如表4所示.

3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

依照表4的試驗(yàn)方案，進(jìn)行9組鏟裝過(guò)程模擬，每組做3次～4次仿真，然后采用一致性較好的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.整理試驗(yàn)結(jié)果如表5所示.根據(jù)k值做出因素與指標(biāo)間的效應(yīng)曲線，如圖7所示.

可得出如下結(jié)論：1）各因素對(duì)斗底板的影響按從大到小次序是D>B>C>A；斗底板受力最小的組合是D1B3C1A2，即：D1——等效粒徑，第1水平，100 mm；B3——斗寬，第3水平，2 500 mm；C1——插入速度，第1水平，0.2 m/s；A2——顆粒形狀，第2水平， 三角錐型；2）采用小粒徑的物料時(shí)，鏟斗底板的等效受力峰值最低；采用中等粒徑和大物料時(shí)峰值明顯升高，但二者峰值相近，由此得出：粒徑水平達(dá)到中等以上時(shí)，粒徑大小可能已經(jīng)不明顯影響斗底板等效受力峰值；3）三角錐型物料情況下，斗底板等效受力峰值最小；長(zhǎng)橢圓形物料情況下，峰值最大；而三角錐形的物料最容易穩(wěn)定，長(zhǎng)橢圓形的物料最不穩(wěn)定，得出鏟裝阻力峰值可能與物料形狀的穩(wěn)定性有關(guān)；4）在0.2 m/s～0.4 m/s范圍內(nèi)，斗底板等效受力峰值與插入速度成正相關(guān)，且速度越大，峰值增大越明顯；5）斗底板等效受力峰值與斗寬成反比.

4 結(jié)論

結(jié)合逆向工程技術(shù)和離散單元法，建立和驗(yàn)證了虛擬鏟裝模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了仿真，對(duì)整個(gè)鏟裝過(guò)程中鏟斗不同部位的鏟裝阻力變化趨勢(shì)進(jìn)行了詳細(xì)的分析.得知，在鏟裝過(guò)程中鏟斗最大的部位是斗底板，出現(xiàn)在水平插入階段；通過(guò)正交試驗(yàn)分析可知，在一定的范圍內(nèi)，影響斗底板等效受力峰值的因素從大到小依次是等效粒徑、斗寬、插入速度、顆粒形狀；粒徑越小、插入速度越小、物料形狀越穩(wěn)定、斗寬越大，則斗底板受力峰值越小.分析結(jié)果為針對(duì)不同鏟裝對(duì)象的鏟斗設(shè)計(jì)、工作裝置動(dòng)力的合理分配和鏟裝軌跡優(yōu)化提供了依據(jù).

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Study on working resistance of loader bucket using

discrete element method

LI Ru， XU Wu-bing，LI Bing*， YANG Xu

（School of Mechanical Engineering， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545000， China）

Abstract ：In order to study the effects of different factors on the loader bucket loading resistance，a 3D model of the bucket is established in UG software， and the point cloud data of material is obtained by ATOS Compact Scan 2M system. Through data processing and simulation parameters settings， the model of loading process simulation is established in EDEM， and the accuracy of the model is verified by experimental method and simulation results. Next， the simulation is carried out and the resistance of each part of the bucket in the whole process is analyzed， the part and status in which peak value of equivalent resistance is largest are found； then four factors which influence the shovel resistance more than other are selected， the orthogonal simulation analysis method and range-method are used to analyze the influence on the peak value of equivalent resistance. And we obtain that the influencing factors ranging from big to small are the particle size， the bucket width， the insertion speed， the particle shape，which gives references to the design of new bucket and optimization of the shovel loading trajectory aimed at fuel-efficiency.

Key words： loader bucket； discrete element method； EDEM； orthogonal simulation method； loading resistance； fuel-efficiency

（學(xué)科編輯：黎 婭）