基于散體力學的斗輪堆取料機挖掘阻力研究

2018-09-20 01:12:14

機械制造 2018年9期

上海海事大學物流工程學院上海 201306

1 研究背景

斗輪堆取料機是散貨堆場重要的裝卸設備，在工作時若發生物料坍塌、掩埋鏟斗等非正常工況，會造成取料過程中鏟斗挖掘阻力瞬時增大，對整機結構安全及使用壽命造成較大影響。筆者應用散體力學中的離散單元法（DEM）分析處理這一問題，建立鐵礦石物料模型與斗輪堆取料機挖斗模型，通過EDEM軟件分別計算正常挖掘和危害工況下的阻力值，為后續研究斗輪堆取料機疲勞和損傷提供基礎數據，并對傳統經驗公式提出優化建議。

2 挖掘力學模型

以某鐵礦石碼頭斗輪堆取料機為研究對象，在確定取料挖掘阻力的力學模型時，作以下假設：① 將物料視為均質的、連續的，不具備可壓實性的介質[1]；②將挖掘過程簡化為二維平面問題，所研究的挖斗屬于寬型料斗，認為挖掘阻力與挖斗寬度成正比[2]；③ 忽略物料顆粒粒度大小對挖掘阻力的影響；④對挖斗上的鏟齒、側刃、護口等配件進行適當簡化。挖斗側面簡化前后如圖1所示。

建立如圖2所示挖掘力學模型。挖斗外滑移面和挖斗內滑移面與挖斗運動軌跡切向的夾角分別為滑移角ω、v，兩個滑移面間的夾角為φ，挖斗運動方向與水平面的夾角為θ，VC為挖斗運動切線方向。作用于挖斗上的力共有五個，分別為兩滑移面上的反力NAB、NAC，黏聚力 τAB、τAB，以及物料重力 W[3]。

在挖掘過程中，物料始終沿挖斗內壁滑移角ω向挖斗進料。在整個過程中，斗內滑移角ω持續加大，斗外滑移角v逐漸減小，且兩者的和不變[4]。物料挖掘過程中滑移角ω的變化過程如圖3所示。

3 挖掘阻力分析

挖斗取料過程的挖掘阻力由提升阻力、充填阻力、慣性阻力及摩擦阻力組成。提升阻力指推動物料在運行軌跡上的切向分力。充填阻力指挖斗外滑移面上物料黏聚力及反力在運行軌跡上的切向分力。慣性阻力指物料慣性力在運行軌跡上的切向分力。摩擦阻力指的是物料與挖斗之間的摩擦阻力[5]。

▲圖1 挖斗側面示意圖

▲圖2 挖掘力學模型

▲圖3 物料挖掘過程中滑移角ω變化示意圖

3.1 蘇聯經驗公式

蘇聯經驗公式將挖掘阻力分成兩個階段進行分析，第一階段是挖斗剛插入物料的階段，第二階段是挖斗插入物料一定深度后準備提升的階段[6]。根據規律，挖斗在第二階段出現最大挖掘阻力，隨著挖斗的旋轉，阻力漸漸變小。計算最大挖掘阻力P的蘇聯經驗公式為：

式中：LBH為挖斗插入料堆的深度，m；B為挖斗寬度，m；KC為物料剪切應力，Pa。

3.2 國內學者公式

國內學者應用改進過的挖掘機模型和變形斗輪進行試驗，得出另一種計算公式[7]，最大挖掘阻力P為：

式中：fL為單位長度挖掘阻力，指1 cm挖掘長度上所需的挖掘力，N/cm；L為挖掘邊總長度，cm。

式（2）需要求解挖掘過程中挖掘邊的總長度L，然而在挖掘作業時，挖斗與物料接觸的挖掘邊長度是不斷變換的。蘇聯經驗公式和國內學者公式都是基于試驗得出，考慮了挖料的動態過程，簡化了參數的選擇。

4 EDEM軟件仿真

4.1 物料顆粒、物料堆和挖斗模型

物料顆粒形狀由多個大小球體連接組成[8]。鐵礦石主要形態為球形、塊狀形、細條形和圓錐形等數種。使用不同大小的篩子對作業中的顆粒進行篩分，總體服從高斯分布原理，設定物料粒徑分布狀況，見表1。

表1 物料粒徑分布

鐵礦石和鋼鐵的物理性質見表2。鐵礦石自身間的靜摩擦因數為0.6，滾動摩擦因數和恢復因數分別為0.01、0.5。鐵礦石與鋼鐵間的上述三項因數依次為1.2、0.01 和 0.42[9]。

表2 鐵礦石和鋼鐵物理性質

仿真挖掘過程中主要對物料堆上側進行挖掘，對料堆底部的物料影響很小，因此適當減少尺寸，簡化計算，簡化為一個高6 m、長8 m、寬2 m，靜止角為37°的斜梯形鐵礦石料堆。在結構正確的基礎上簡化挖斗。由于是側卸式卸料，斗輪與地面垂直線夾角為8°[10]。簡化后料堆和挖斗模型如圖4所示。

▲圖4 簡化后料堆和挖斗模型

4.2 挖料軌跡

挖料軌跡是一條復雜的曲線，由三種運動組合而成[11]，分別為：① 基于斗輪機軸心的圓周運動，即斗輪的旋轉運動；②回轉運動，即斗輪機頭隨回轉軸承中心擺動，其回轉半徑長度為懸臂皮帶機至回轉軸承中心的長度；③進料的直線運動。

5 仿真結果分析

5.1 阻力計算

蘇聯經驗公式中最大挖掘阻力P發生在挖斗即將提升的時刻，設參數LBH=1.1 m，B=0.65 m，KC=30 000 Pa，代入式（1），解得 P=47 190 N。

國內學者公式中選取單位長度挖掘阻力fL為300 N/cm，切割深度比α為1.57，挖掘高度與斗輪半徑之比C為1，挖斗容積J為0.73 m3，機頭半徑R為3.75 m，松散因數f為1.4，機頭旋轉角度φ0為90°，斗輪機斗數 Z為8，圓角修正因數km為 1.49，從而求出挖掘邊總長度L和最大挖掘阻力P：

5.2 EDEM仿真分析

首先在1 s內快速生成斜梯形物料堆顆粒，在顆粒填滿后，設置2.3 s的靜止時間，使顆粒恢復到靜止狀態，再進行挖掘動作仿真，從而保證仿真的正確性。

挖掘物料的厚度、挖掘速度、斗內物料體積都是影響挖掘阻力的重要因素，將挖斗掃過物料堆體積的比例作為仿真的重要參數。經過多次仿真，發現挖斗掃過物料堆體積的比例在70%～80%時，可以視為挖掘正常工況，超過80%則視作挖掘危害工況。挖掘正常工況阻力值變化曲線如圖5所示。從圖5中可以看到，挖掘阻力隨挖掘角度的增大而增大，當斗輪掃過80%時，最大值為47 851.9 N。