龍亞

摘要：在300噸以上大型礦用液壓挖掘機(jī)的研發(fā)中，其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件設(shè)計(jì)和液壓系統(tǒng)動(dòng)力選配都離不開(kāi)挖掘阻力等相關(guān)數(shù)據(jù)，缺乏挖掘機(jī)作業(yè)時(shí)的挖掘阻力，是目前國(guó)內(nèi)大型液壓挖掘機(jī)正向開(kāi)發(fā)的瓶頸之一。本文結(jié)合某重工企業(yè)研發(fā)600噸大型正鏟液壓挖掘機(jī)的項(xiàng)目，基于多學(xué)科聯(lián)合仿真，采用多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS、離散單元法軟件EDEM等相關(guān)仿真軟件，研究大型正鏟液壓挖掘機(jī)挖掘阻力的數(shù)值模擬計(jì)算方法，并對(duì)挖掘阻力進(jìn)行分析，為企業(yè)正向開(kāi)發(fā)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：挖掘阻力;多體動(dòng)力學(xué);離散單元法

中圖分類號(hào)：TH243? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）05-0018-02

0? 引言

挖掘阻力是挖掘機(jī)工作過(guò)程中被挖掘物料施于鏟斗的反作用力，是其主要工作阻力，也是整個(gè)挖掘過(guò)程的外載荷。對(duì)于挖掘阻力的準(zhǔn)確評(píng)估是挖掘機(jī)工作裝置強(qiáng)度校核、液壓回路設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率匹配的重要基礎(chǔ)，對(duì)大型液壓挖掘機(jī)的整體設(shè)計(jì)具有重大意義[1]。

以往多數(shù)挖掘阻力模型是基于實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)公式，存在一定的局限性：①由于邊界條件的不同，實(shí)驗(yàn)研究跟實(shí)際工況存在較大差異;②挖掘物料的非均質(zhì)、各向異性且不連續(xù)等特性造成挖掘過(guò)程的隨機(jī)性和復(fù)雜性，很難準(zhǔn)確評(píng)估挖掘阻力;③利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)所得挖掘阻力，可作為挖掘機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)的依據(jù)，驗(yàn)證挖掘機(jī)性能，但對(duì)于新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，仍然需要與實(shí)際基本相符的挖掘阻力資料[2]。

近年來(lái)將物料作為獨(dú)立的不連續(xù)介質(zhì)點(diǎn)的集合體的離散單元法，是專門(mén)針對(duì)散體集合體受力時(shí)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和極限平衡的數(shù)值模擬方法，通過(guò)該方法并結(jié)合一定的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，能較為準(zhǔn)確地對(duì)挖掘阻力進(jìn)行評(píng)估[3]。本文基于多體動(dòng)力學(xué)與離散單元法，采用聯(lián)合仿真的方式，探索大型正鏟液壓挖掘機(jī)挖掘阻力的數(shù)值模擬計(jì)算方法。

1? 多體動(dòng)力學(xué)建模

大型礦用液壓挖掘機(jī)一般采用疊置式正鏟工作裝置，其工作裝置通用性強(qiáng)、操作靈活，本文主要研究挖掘機(jī)工作裝置的挖掘特性及受力分析，而不研究挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)平臺(tái)和行走裝置的具體運(yùn)動(dòng)特性?；谀?00噸型液壓挖掘機(jī)UG三維模型，對(duì)其回轉(zhuǎn)平臺(tái)和行走裝置進(jìn)行簡(jiǎn)化，連同挖掘機(jī)工作裝置分別導(dǎo)入多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS中，并保證ADAMS模型按照UG模型在同一坐標(biāo)系進(jìn)行建模：以挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)中心軸線與停機(jī)平面的交點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn)O;以挖掘機(jī)前進(jìn)方向作為X軸正方向;以前進(jìn)方向的左側(cè)作為Y軸正方向;以挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)中心軸線豎直向上方向作為Z軸正方向，具體運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型如圖1所示。

運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型包括行走裝置、回轉(zhuǎn)平臺(tái)、動(dòng)臂、斗桿、鏟斗，以及相應(yīng)的工作油缸：動(dòng)臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸。整個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型中包括5個(gè)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，如表1所示，通過(guò)這5個(gè)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)液壓挖掘機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，在對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副中添加運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)函數(shù)即可驅(qū)動(dòng)工作裝置進(jìn)行典型挖掘工況的模擬挖掘。

斗桿挖掘工況是大型礦用正鏟液壓挖掘機(jī)最主要的挖掘工況，主要用于停機(jī)平面以上礦堆中下部的挖掘，挖掘過(guò)程中，動(dòng)臂液壓缸伸出，決定起始高度;斗桿液壓缸收縮到最短行程附近;鏟斗液壓缸收縮調(diào)整到鏟斗斗齒與地面相切;先進(jìn)行一段水平推壓工況，使鏟斗水平插入礦堆一定深度;然后斗桿油缸由最短伸至最長(zhǎng)，鏟斗油缸同時(shí)調(diào)節(jié)，完場(chǎng)挖掘工況;最后由動(dòng)臂舉升整個(gè)工作裝置，使鏟斗脫離礦堆以達(dá)到卸料的要求高度。

2? 離散單元法建模

仿真礦堆的構(gòu)建直接影響到挖掘阻力仿真計(jì)算的精度，本文構(gòu)建的仿真礦堆是依據(jù)實(shí)際分析的東鞍山鐵礦塊度分布與分形分布特征所構(gòu)建[4]。挖掘機(jī)挖掘礦石的過(guò)程中主要考察的是礦石與鏟斗之間的相互作用，以及礦石與礦石之間的相互作用力，對(duì)于完全爆破情況下的礦堆，不考慮礦石顆粒之間的黏連作用，在離散單元法軟件EDEM仿真分析時(shí)選擇Hertz-Mindlin（no-slip）接觸模型作為仿真環(huán)境的接觸模型。其中的材料屬性參數(shù)（泊松比、密度、剪切模量）以及材料之間的接觸參數(shù)（靜摩擦系數(shù)、滾動(dòng)摩擦系數(shù)、碰撞恢復(fù)系數(shù)）主要依據(jù)Barrios的研究成果來(lái)確定[5]。

EDEM軟件中所生成的仿真礦堆如圖2所示，礦石顆?？倲?shù)量到達(dá)了20萬(wàn)數(shù)量級(jí)以上，總質(zhì)量超過(guò)1千噸，礦堆寬度為10米，高度到達(dá)11米左右，構(gòu)建大規(guī)模的仿真礦堆能進(jìn)一步保證仿真挖掘的精度，使挖掘機(jī)在一次挖掘以后對(duì)礦堆整體不會(huì)造成影響，保證其邊界條件要求。同時(shí)對(duì)于大規(guī)模的仿真礦堆，礦石之間的力學(xué)性質(zhì)也更符合實(shí)際情況，能保證計(jì)算過(guò)程中其內(nèi)部接觸力的準(zhǔn)確性。構(gòu)建完成的礦堆自然堆積角約為40度，這與自然狀態(tài)下鐵礦石自然堆積角為40度左右相一致，礦堆密度略小于1.8t/m3，空隙率略大于40%，能較好的符合一般自然爆破情況下鐵礦空隙率為40%左右的要求。

3? 聯(lián)合仿真挖掘阻力

利用基于離散單元法所構(gòu)建的東鞍山鐵礦仿真礦堆，在EDEM軟件中匹配與ADAMS軟件一致的挖掘機(jī)工作裝置相對(duì)運(yùn)動(dòng)，確保UG模型、ADAMS模型與EDEM模型單位和坐標(biāo)相一致，聯(lián)合仿真完成該型600噸液壓挖掘機(jī)的典型斗桿挖掘工況。進(jìn)行一次完整的聯(lián)合仿真斗桿挖掘工況后，鏟斗中礦石裝載量達(dá)到53噸，該型600噸液壓挖掘機(jī)的鏟斗容量為32m3，礦堆密度按照1.8t/m3計(jì)算，滿載質(zhì)量為57.6噸，此次挖掘裝載率達(dá)到92%，較高的裝載量說(shuō)明此次仿真挖掘較好的發(fā)揮了該型號(hào)挖掘機(jī)的裝載能力。整個(gè)挖掘工作過(guò)程中鏟斗所受的挖掘阻力可從EDEM軟件的后處理模塊中導(dǎo)出，如圖3所示。

如圖3為整個(gè)聯(lián)合仿真斗桿挖掘過(guò)程中鏟斗所受挖掘阻力的曲線圖，最大挖掘阻力為1680kN。整個(gè)挖掘阻力曲線可分為5段：OA段，鏟斗未接觸到礦石，阻力為零;AB段，為鏟斗平推階段，隨著鏟斗插入礦堆的深度不斷增加，阻力也不斷變大;BC段，為斗桿挖掘前半階段，隨著挖掘的進(jìn)行，鏟斗中逐步裝入礦石，鏟斗也不斷深入礦堆，阻力增長(zhǎng)到最大，并在一定時(shí)間內(nèi)在最大阻力附近出現(xiàn)波動(dòng);CD段，此階段為斗桿挖掘的后半段，鏟斗中充滿了礦石，并隨著挖掘動(dòng)作的進(jìn)行，鏟斗開(kāi)始脫離礦堆，鏟斗與礦堆的接觸減少，表現(xiàn)為挖掘阻力不斷減小;DE段，此時(shí)鏟斗已全部脫離礦堆，為動(dòng)臂舉升階段，此階段鏟斗的受力為斗內(nèi)礦石的重力，基本保持不變。

4? 結(jié)語(yǔ)

挖掘機(jī)作業(yè)時(shí)的挖掘阻力，是大型正鏟液壓挖掘機(jī)正向開(kāi)發(fā)的重要參數(shù)之一，本文基于多學(xué)科聯(lián)合仿真，采用多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS、離散單元法軟件EDEM等相關(guān)仿真軟件，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算得出大型正鏟液壓挖掘機(jī)的挖掘阻力，為大型液壓挖掘機(jī)的正向開(kāi)發(fā)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)，同時(shí)對(duì)基于離散單元法的顆粒物質(zhì)力學(xué)研究及其工程應(yīng)用有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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