裝載機鏟斗作業過程仿真分析

李玉鳳，李 冰，姬國強

（廣西科技大學 機械工程學院，廣西 柳州545006）

裝載機工作裝置的高效設計、裝載機能耗以及耐久性品質設計等一直是裝載機設計過程中的重要關注點。王慈[1]采用計算機優化設計計算鏟斗截面，能夠快速準確的設計出所需鏟斗；王得勝等[2]基于土力學原理分析了裝載過程及料堆對鏟斗的作用力，并建立了插入阻力和鏟取阻力的計算公式，通過實驗和數字仿真驗證了基于土力學的插入阻力和鏟取阻力的數字仿真曲線比基于經驗公式的數字仿真曲線更加接近實驗曲線，為裝載機鏟裝作業阻力的研究提供了一種技術參考；高鑄成等[3]建立了某型裝載機工作裝置三維模型，并基于ADAMS軟件對其作業工況進行態仿真和力學仿真分析，驗證了工作裝置模型設計符合產品實際，為產品后續分析、結構優化提供依據。

提升這些性能的關鍵基礎數據是對裝載機作業阻力的研究，然而，前期對作業阻力的研究更依賴于試驗手段或者通過經驗公式。經驗公式基于密實核理論，忽略散體力的作用而使計算精度較弱，而試驗手段受限于試驗次數及試驗對象、試驗可重復性、試驗消耗等問題也難以精確獲取各種作業對象下的作業阻力。

基于此，本文通過建立某型裝載機工作裝置的仿真模型，借助ADAMS分析裝載機作業阻力及工作油缸受力，以輸出鏟斗在工作過程中的速度、加速度—時間曲線作為離散元分析的基礎數據；同時，采用試驗的方法裝載機典型作業對象（碎石）的特性參數，基于上述研究基礎數據，采用離散元分析軟件EDEM完成了裝載機鏟斗作業過程的仿真分析。對所獲取的作業阻力進行分析研究得出，本文所提方法可為裝載機鏟裝作業分析提供一種新的計算方法，同時該研究也可為確定提升裝載機性能提供基礎數據。

1 離散單元方法的基本原理

離散單元法[4]（Discrete Element Method，DEM）是Cundall于1971年提出來的，它是一種顯式求解的數值方法。離散單元法也像有限單元法那樣，將區域劃分成單元，單元之間相互作用的力可以根據力和位移的關系求出，而個別單元的運動則完全根據單元所受的不平衡力和不平衡力矩的大小按牛頓運動定律確定。該方法是繼有限元法、計算流體力學（CFD）之后，用于分析物質系統動力學問題的又一種強有力的數值計算方法。離散單元法通過建立固體顆粒體系的參數化模型，進行顆粒行為模擬和分析，為解決眾多涉及顆粒、結構、流體與電磁及其耦合等綜合問題提供了一個平臺，已成為過程分析、設計優化和產品研發的一種強有力的工具。

2 多體動力學軟件的仿真分析

2.1 裝載機工作裝置三維模型的建立

基于某工廠的一型常用裝載機，并對該型裝載機的工作裝置進行簡化處理，用UG軟件分別建立改型動臂、搖臂、連桿、鏟斗、舉升液壓缸、轉斗液壓缸的三維模型，并進行裝配（如圖1），導出多體動力學軟件ADAMS識別的.x_t文件。

圖1 裝載機工作裝置圖

2.2 裝載機工作裝置的導入與仿真

將建立好的裝載機工作裝置三維模型文件的.x_t文件導入ADAMS軟件中，并在ADAMS中基于裝載機典型作業方式建立其工作裝置各組件的約束，主要約束如表1.

表1 裝載機工作裝置主要約束

根據裝載機典型作業情況，主要約束建立完成之后，用STEP5函數表達裝載機工作油缸的運動行為，用以驅動裝載機鏟斗的鏟裝工作。

轉斗油缸的運動規律如下：

動臂油缸的運動規律如下：

工作油缸的運動函數如圖2.

圖2 工作油缸運動函數

2.3 數據的導出

輸出裝載機鏟斗的X、Z方向上的速度與加速度，以及裝載機鏟斗Y方向上的角速度及角加速度曲線，以便作為離散元軟件EDEM[5]的原始數據輸入，如圖3（a），并把這些數據生成Excel表格且做相應處理。

（續下圖）

（接上圖）

圖3 鏟斗上速度及加速度函數

3 離散元軟件的仿真分析

3.1 裝載機典型作業對象的參數標定

材料屬性參數屬于材料自身的特性參數，和外界無關。可查得文中所用材料的固有屬性為：碎石—泊松比：0.29，剪切模量：1.11e+10 Pa，密度：2 090 kg/m3；鋼鐵—泊松比：0.28，剪切模量：7.8e+09 Pa，密度：7 800 kg/m3.

本文采用試驗與軟件相結合的方法測定了物料間及物料與設備間的材料基本接觸參數。

（1）碰撞恢復系數標定：本文用無彈性（可以忽略彈性）的繩子連接巖石顆粒，將一巖石板與地面成90°放置，巖石顆粒初始位置與巖石板鉛直方向成60°，自由下放巖石顆粒，使得巖石顆粒法向方向正中巖石板，用相機拍攝慢動作功能抓拍巖石顆粒撞擊巖石板的過程，以巖石顆粒彈起時無旋轉和超過15°的橫向位移為一次有效值，記錄并計算巖石間的碰撞回復系數。根據動勢能相互轉換原理得：

式中，e為恢復系數；V01為碰撞后巖石顆粒的法向速度；V0為前碰撞巖石顆粒的法向速度；x為碰撞后繩子與鉛直方向所成的角度。

根據公式計算可得巖石之間的碰撞恢復系數e＝0.62，同理可得巖石和鐵板之間的碰撞恢復系數e＝0.42.

（2）安息角：散料在堆放時能夠保持自然穩定狀態的最大角度（斜邊與水平面間夾角），是表征粒狀物行為的最重要宏觀參數之一。安息角的測量計算方法為a＝arctg（2H/D），其中a為自然安息角，H為穩定料堆高度，D為料堆底部直徑。測取多組數據取平均值為 35.8°.

（3）滾動摩擦系數標定：由相關文獻可知，巖石與巖石之間的滾動摩擦系數在0.1～0.21之間變化，巖石與鏟斗（鐵）之間的滾動摩擦系數在0.25～0.3之間變化。所以，鎖定設備與巖石物料的滾動摩擦系數取值為0.25與0.3；巖石之間的滾動摩擦系數取值為0.05，0.1，0.15，0.2，0.25.進行排列組合可得 5 組數據，見表2.

表2 動摩擦系數

接著將這些參數輸入到EDEM軟件中，分別作無底圓筒落料仿真，對比生成的安息角，最終以5組數據中最接近實測安息角35.8°為準。取巖石間的滾動摩擦系數為0.2，巖石與設備（鐵）之間的動摩擦系數為0.25.

3.2 作業對象的級配

對所用物料用網格尺寸分別為30 mm×30 mm、25 mm × 25 mm、20 mm × 20 mm、15 mm × 15 mm的鐵網對巖石物料的大小進行篩選，30∶25∶20∶15 ＝ 1 ∶1.53 ∶3.30 ∶7.68（mm）.

然后對巖石物料進行形狀特性的分類，并加以統計—角狀∶長條∶等徑方形∶片狀∶中間 ＝ 1.036 ∶1 ∶3.261∶1.275 ∶6.645.

3.3 相關參數的輸入與仿真

將所標定的物料屬性輸入到離散元軟件的相應位置，并將ADAMS軟件輸出的裝載機鏟斗的速度、加速度—時間數據輸入到離散元軟件的相應位置進行仿真。

3.4 數據的分析處理

輸出的鏟斗作業阻力如圖4所示，基本符合所屬型號裝載機的作業規格，可以作為一種阻力參考。

圖4 E D E M中鏟裝過程中鏟斗受力情況

4 結束語

本文借助ADAMS分析裝載機作業阻力及工作油缸受力，以輸出鏟斗在工作過程中的速度、加速度—時間曲線作為離散元分析的基礎數據；同時，采用試驗的方法測定裝載機典型作業對象（碎石）的特性參數，基于上述研究基礎數據，采用離散元分析軟件EDEM完成了裝載機鏟斗作業過程的仿真分析。對所獲取的作業阻力進行分析研究得出，本文所提方法可為裝載機鏟裝作業分析提供一種新的計算方法，同時該研究也可為確定提升裝載機性能提供基礎數據。