鏟土運輸機械鏟入阻力形成機理研究現狀

姜勇羅 士軍

對于鏟土運輸機械來說，物料鏟裝是主要作業過程，不僅對操作人員的技能要求較高，勞動強度較大，而且大量實驗表明，此階段的能量消耗所占整體能耗的比例也是最大的。機器工作過程中有很大部分能量是消耗在鏟挖物料、切削物料和移動物料上。到目前為止，盡管鏟土運輸機械由于大規模機械化施工而得到了快速發展，但對鏟入過程阻力形成機理的認識還是比較很膚淺的。這其中的主要原因是鏟土運輸機械插入鏟取過程中的阻力受到料堆的形狀、物料的特性、鏟刃插入深度、料斗等眾多因素的影響。散體物料，特別是大塊散體物料的各種特性有很大的隨機性，理論公式計算插入、鏟取阻力時，無法準確確定諸如自然堆角、內摩擦角、物料滑移角等重要參數。因此研究切削裝置與物料相互作用的過程、切削機理與影響因素，對減少切削阻力、降低能量消耗，提高切削裝置壽命和機器作業效率具有重要意義。

物料的動力本構模型即動荷載下物料的應力-應變關系是表征物料動力學特性的基本關系，是物料動力學研究的中心問題之一，也是分析物料動力失穩過程一系列特性及插入阻力形成機理，密實核形態及發育過程研究的重要基礎。要能夠準確地分析和計算插入阻力形成機理問題，首先就需要正確的本構模型，以代表某種物料的應力—應變關系。物料的實際動本構關系的發展表現在本構理論、數值計算和測試技術3個方面，它們是相輔相成的。這項研究是依據兩條線索發展的：一是通過實驗修正的方式，尋找描述物料狀態的各個機械特性參數及它們的經驗性關系;二是在實驗分析的基礎上，對工作部件物料接觸系統施與一定的假設從而推求描述耕作過程的理論預測模型，以期指導切削裝置的設計。早期的研究由于實驗手段的限制，以及各種假設與復雜的插入切削過程有一定的差距，造成所研究的結果或多或少偏離了真實的工作狀況。由于實驗手段不斷完善以及計算機性能迅速提高，使得切削裝置與物料接觸問題研究在20世紀90年代取得了較大的進展。

首先，實驗方法更加完善。在繼續使用各種大、中、小型土槽實驗的基礎上，借助X射線透射、掃描電鏡、高速攝像機及各種先進的測力裝置來觀察并記錄物料在插入時的變化過程及切削裝置的受力情況。如Yuta TAKAHASHI【1】等采用的直接測量鏟入阻力實驗，在實驗裝置上安裝6軸力傳感器來對鏟入阻力進行測量，但是對于鏟入過程中物料的變化情況并沒有檢測。而Hiroshi TAKAHASHI【2】等為了檢測在鏟入過程中物料的變形情況，在物料中加入示蹤粒子，用高速攝像機記錄下鏟裝過程中失蹤粒子的運動情況，并對其進行分析。這種實驗方法只能檢測到物料表面在鏟入過程中的變形情況，但是對于物料內部的變形情況卻無法知道。姚踐謙為檢測物料內部運動情況所采用的實驗方法是在一個透明的容器中裝入塊狀物料，用高速攝像機記錄下物料在鏟裝過程中的運動情況并對其進行分析。采用該方法雖然可以檢測到物料內部的運動情況，但是只能是對臨近容器壁面的這一斷面物料進行檢測，而對于整個物料內部的運動情況還是無法知道。姜洪濤采用CT掃描技術對兩種物料平推過程進行了實驗，采用該實驗方法雖然可以檢測到物料內部的運動情況，但是由于受到CT掃描儀的限制導致整個實驗裝置的體積不能過大，同時該方法的成本也較高。

雖然國內外很多研究人員采用不同的實驗方法來對插入阻力進行研究，但都或多或少存在一些問題：要么是通過大量的實驗去驗證經驗公式的正確性;要么是只對在鏟裝過程中物料的變形運用各種手段去監測，但目前所采用的手段除了CT掃描法外，其他方法很難監測到整個物料內部的變形情況。因此為了更進一步地了解物料的動本構關系，插入阻力形成機理，密實核形態及發育過程，有必要采用新的實驗方法在測取插入阻力的同時對插入過程物料內部的變形情況進行檢測。

其次，切削裝置與物料接觸問題的理論分析近些年來發展了數學模擬以研究物料的切削過程，數學模擬方法包括傳統的分析方法、離散單元法（Discrete Element Model，DEM）和有限單元法（Finite Element Method，FEM）。

傳統分析方法的核心是從物料切削實驗中找出物料破裂線的形狀，然后假定物料為剛塑性體，用靜力平衡求解以自由面、切削裝置與物料的相互作用邊界以及破裂線（面）組成的力隔離體，從而求得物料對切削裝置的阻力。該方法是根據太沙基的被動土壓力理論發展起來的。許多學者根據這個理論提出了一些三維物料切削模型。但這些模型有較大的缺陷而無法適用于不同切削裝置形狀的情況。

DEM方法是一種顯式數值方法，它將物料看作獨立的不連續質點的集合體。質點間通過一系列聯系法則而相互作用，質點的運動根據牛頓運動定律確定。該方法在國內外的發展很快，主要應用在巖石力學、采礦工程及松散物料流動等方面的研究中，相應的算法和軟硬件已基本成熟，將粘附力的理論引入傳統離散單元法可以實現其在地面機器系統中物料動態行為的模擬。但離散單元法在物料動態行為仿真中的應用還處于發展階段，只有少數幾個國家（主要是日本）的一些學者在這方面進行了一些探索性研究。由于物料本身的性質十分復雜，力學模型很難建立，仿真參數也不易確定，所以目前這方面的研究主要是在二維條件下，并且用離散單元法進行實驗機具作用下的物料動態行為仿真，同時仿真參數也主要靠經驗來確定。國內將離散單元法應用于分析切削裝置與物料之間動態相互關系的研究很少，目前尚鮮見有相關文章發表。因此，離散單元法在物料動態行為仿真中的應用有待進一步研究。

目前國內外運用FEM方法研究物料切削問題的研究較多。有限元分析的結果要比以往的模型預測值更加接近于實際值，因為他們普遍考慮了切削裝置物料接觸系統的幾何、物理及邊界非線性問題，甚至高速切削問題，這在以往的預測模型中幾乎是不可能的。但將有限元法用于切削裝置的計算機輔助設計仍有一段距離，這是由于用該方法來處理切削裝置與物料接觸問題時首先要選取較為精確的物料本構關系，而實際的物料狀況往往千變萬化，雖然物料的本構方程現在已有多種，但至今仍未有哪一種本構關系能夠適應所有的物料狀況。另外，即使考慮插入切削過程中的各種非線性現象，欲使有限元法能夠更精確地處理這一動態接觸問題，還需對各種非線性計算模型，諸如刀刃的切削過程、物料金屬接觸模型、物料的大位移、大變形及破碎模型（特別是在高速狀態下），同時，物料本身是復雜的多相混合體，在建立物料動本構模型時應該考慮多方面因素，即除了考慮物料的粘附性以外，還應該考慮物料的塑性特性，以及物料內部水分、空氣、粒徑分布以及密度等對物料動態行為的影響，因此需要采用更合理、更精確的數學模型來描述。

以上是鏟土運輸機械鏟入阻力形成機理研究現狀，目前針對鏟土運輸機械鏟入阻力形成機理有以下問題需要做進一步深入研究：物料的動本構模型研究;鏟入阻力形成機理及密實核形態與發育過程;切削裝置與物料接觸問題的數學模擬方法研究;實驗方法的完善。研究切削裝置與物料相互作用的過程、切削機理與影響因素，對減少切削阻力、降低能量消耗，提高切削裝置壽命和機器作業效率具有重要意義。

參考文獻：

[1] Yuta TAKAHASHI，Ryohtaroh YASUHARA，Osamu KANAI，Hisashi OSUMI.DEVELOPMENT OF BUCKET SCOOPING MECHANISM FOR ANALYSIS OF REACTION FORCE AGAINST ROCK PILES.International Symposium on Automation and Robotics in Construction.2006

[2] Hiroshi TAKAHASHI，Yoshiaki TSUKAMOTO，Eiji NAKANO.Fundamental Study on the Resistive Force Acting on the Bucket during Scooping of Piled Rock Fragments.The Japan Society of Mechanical Engineers.1997

[3] 姚踐謙，樂曉斌.裝載機插入阻力與插入機理的探討.工程機械.1990.3