大型礦用挖掘機挖掘阻力分析及鏟斗結構優化

王喆 鄧銳

摘要：大型礦用挖掘機的工作過程實際上就是挖掘機的鏟斗部分與被挖掘物料間相互作用的過程，鏟斗的結構及狀態直接影響到挖掘機整機所受的載荷。目前鏟斗存在著阻力大、沖擊大、滿斗率低等問題，大大的限制了挖掘機的工作效率。通過對WK-55大型礦用挖掘機鏟斗的三維建模，運用EDEM軟件對其進行離散元仿真分析。研究了不同物料參數對大型礦用挖掘機挖掘阻力的影響。為提高大型礦用挖掘機的工作效率，對斗齒結構進行優化設計。挖掘阻力優化前的峰值為15.82kN，而優化后的峰值為14.26kN，降低了9.86%。挖掘質量優化前的峰值為30.07kg，而優化后的峰值為50.02kg，提高了66.35%。結果表明，經過優化的大型礦用挖掘鏟斗結構更加合理。

Abstract： The working process of a large mining excavator is actually the interaction between the bucket part of the excavator and the excavated material. The structure and state of the bucket directly affect the loads of the excavator. At present， problems such as high resistance， high impact and low rate of full bucket exist in bucket， greatly limit the working efficiency of excavator. Through 3D modeling of WK-55 large mining excavator bucket， the discrete element simulation analysis is carried out by EDEM software. The influence of different material parameters on excavation resistance of large mining excavators is studied. In order to improve the working efficiency of large mining excavators， the bucket teeth structure is optimized. The peak value before optimization of excavation resistance is 15.82kN， while the peak value after optimization is 14.26kN， which is reduced by 9.86%. The peak value before optimization of excavation quality is 30.07kg， while the peak value after optimization is 50.02kg， which is increased by 66.35%. The results show that the optimized structure of large mining excavator bucket is more reasonable.

關鍵詞：礦用挖掘機;鏟斗結構;離散元法;挖掘阻力

Key words： mining excavator;bucket structure;discrete element method;excavating resistance

中圖分類號：TD422.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）23-0143-06

0? 引言

大型礦用挖掘機是礦場工作必不可少的工作設備[1，2]。鏟斗作為挖掘機重要的組成部件，承載著挖掘物料的作用。鏟斗在工作時受力復雜，結構安全是其設計時優先考慮的問題。目前對鏟斗結構的設計一般是在某些工況下將鏟斗視作一個單獨個體進行考慮，然后在離散元軟件中進行仿真模擬和在有限元軟件中進行計算分析[3，4]。這種計算方法忽略了具體鏟斗結構，只保留了部分工作部件。本文以WK-55型大型礦用挖掘機的鏟斗為研究對象，擬在有離散元仿真的基礎上，利用EDEM軟件進行仿真。分析鏟斗在不同情況下所受到的挖掘阻力變化，為鏟斗結構的優化設計提供理論基礎。

1? 鏟斗三維設計

大型礦用挖掘機的鏟斗結構與普通液壓挖掘機的鏟斗結構有著很大的區別，因為它們工作環境的不同，挖掘物料有著很大的差別，所以結構上有著很大的區別。大型礦用挖掘機的鏟斗主要由斗壁、斗齒、斗唇和斗底等部分組成。實際中的鏟斗結構比較復雜，零部件大約有500個。以WK-55型大型礦用挖掘機的鏟斗為研究對象，其結構的部分參數如表1所示。

以表1中的結構參數為基礎，應用UG軟件對WK-55型礦用挖掘機的鏟斗進行三維建模。為了提高仿真效率，將相關尺寸縮小1000倍。鏟斗的三維模型如圖1所示。

2? 離散元仿真接觸模型

顆粒接觸模型是離散元仿真的重要基礎，是準靜態下接觸力學彈塑性的分析結果[5]。EDEM軟件中有各種情況下的顆粒接觸模型，利用不同的算法模擬出各種條件下的顆粒碰撞，能夠有效的模擬出需要的碰撞條件。離散元仿真模擬的就是顆粒的碰撞，根據顆粒接觸方式的不同，在離散元仿真中有硬顆粒接觸和軟顆粒接觸兩種。硬顆粒接觸是假設顆粒表面受力比較小時，顆粒之間不發生明顯的形狀變化，而且它們的碰撞是在瞬間發生的。它只考慮兩個顆粒之間的碰撞，不考慮多個顆粒之間的碰撞。軟顆粒接觸是離散元仿真中最常用的接觸模型，它是當顆粒之間發生碰撞時產生變形，而且顆粒之間會發生重疊，在重疊部分有著大量的相互作用力。軟顆粒模型擁有著大量的接觸模型，而且在模擬數目龐大的仿真系統中，必須要用到它。

大型礦用挖掘機在挖掘過程中涉及的顆粒較多，而且顆粒之間會發生大量碰撞，故選用軟顆粒接觸模型。該模型在顆粒間設定了耦合器、滑動器、阻尼器和彈簧等。如果在切向上切向力大于屈服值，滑動器在法向力和摩擦力作用下實現兩顆?；瑒印ｑ詈掀鞑灰肴魏瘟Γ脕泶_定發生接觸的顆粒配對關系。軟顆粒接觸模型引入阻尼系數和彈性系數等參數來量化阻尼器、滑動器、彈簧的作用，如圖2所示。

Hertz-Mindlin離散元接觸模型是經典的非線性接觸模型，適用大部分的工程仿真[6]。它能夠反映出巖石與巖石之間，巖石與鏟斗之間的碰撞特征，故在進行大型礦用挖掘機的挖掘過程仿真中選取Hertz-Mindlin模型。該模型的計算方法為：假設兩球形顆粒的半徑分別為R1和R2，則這兩球形顆粒發生碰撞時，其接觸的法向重疊量為

顆粒之間的接觸面是圓形，可以得出其接觸半徑為

3? 離散元仿真分析

3.1 離散元仿真模型建立

大型礦用挖掘機的鏟斗材料采用Q460E鋼。它的作業對象是巖石及其它土壤，其物理參數如表2所示。挖掘過程實際上就是挖掘機的鏟斗與挖掘物料顆粒之間相互作用的過程，其接觸參數如表3所示。

根據表2和表3的相關參數在EDEM軟件中建立的挖掘過程仿真模型如圖3所示。

3.2 物料參數對挖掘阻力的影響

顆粒密度對于挖掘機的工作效率有很大的影響。由于土槽容積和鏟斗容積是一定的，有必要研究顆粒密度對挖掘阻力的影響。在保持其它參數不變的情況下，分別取顆粒密度為1000kg/m3、1500kg/m3、2000kg/m3、2500kg/m3、3000kg/m3，對挖掘機的挖掘過程進行離散元仿真分析，其顆粒密度對挖掘阻力的影響如圖4所示。由圖4可知，挖掘阻力隨著顆粒密度的增大而大幅度的上升，挖掘阻力的最大值分別為1069N、1602N、2179N、2786N、3432N，幾乎是呈線性分布，由此得知顆粒密度對挖掘阻力的影響是顯著的。這是因為物料的顆粒密度影響著物料重量，增大了物料之間的壓力。

剪切模量是巖石的重要物理參數，為闡明其對挖掘機挖掘過程的具體影響，在EDEM軟件中進行了仿真分析。彈性模量的范圍大致為3GPa到50GPa，泊松比范圍為0.12到0.35，所以剪切模量的范圍確定為2.5GPa到4GPa。在保持其它參數不變的情況下，分別取剪切模量為3GPa、3.2GPa、3.4GPa、3.6GPa、3.8GPa，對挖掘過程進行離散元仿真分析，其剪切模量對挖掘阻力的影響如圖5所示。由圖5可知，剪切模量對挖掘阻力具有一定的影響，挖掘阻力的最大值分別為3126N、3072N、3202N、3925N和4695N。在剪切模量增大的開始階段，挖掘阻力變化不是特別明顯，但隨著剪切模量繼續增大，挖掘阻力顯著增加。在仿真過程中發現，隨著剪切模量的增加，仿真時間會越長。

摩擦系數對于挖掘過程也有影響，因為鏟斗會和物料顆粒產生巨大的摩擦力，而摩擦系數對于摩擦力有著巨大的影響，因此有必要研究摩擦系數對于挖掘工作的影響。摩擦系數分為靜摩擦系數和動摩擦系數，先研究靜摩擦系數對于挖掘工作的影響。巖石的靜摩擦系數一般在0.5到1之間。在保持其它參數不變的情況下，分別取靜摩擦系數為0.3、0.5、0.7、0.9、1.1，對挖掘過程進行離散元仿真分析，其靜摩擦系數對挖掘阻力的影響如圖6所示。由圖6可知，靜摩擦系數的改變對于挖掘阻力有一定的影響，挖掘阻力的最大值分別為1592N、1798N、1992N、2231N和2678N，挖掘阻力隨著靜摩擦系數的增加而增加。

為了研究動摩擦系數對于挖掘阻力的影響，查閱相關文獻可知，動摩擦系數一般大于0.1。在保持其它參數不變的情況下，分別取動摩擦系數為0.1、0.15、0.2、0.25、0.3，對挖掘過程進行離散元仿真分析，其動摩擦系數對挖掘阻力的影響如圖7所示。由圖7可知，動摩擦系數的改變對于挖掘阻力的影響不明顯。隨著動摩擦系數的增長，挖掘阻力的峰值卻有上有下，結合物料顆粒隨機分布的情況，說明了動摩擦系數對于顆粒之間的連接性不是很強，對挖掘阻力的影響不是很大。

由于巖石顆粒在雨雪天氣下會發生粘結現象，因此需要進一步研究顆粒表面能對挖掘阻力的影響。這里選用Hertz-Mindlin with JKR模型，該模型考慮到接觸區中的范德華力，其理論計算公式為[7，8]

物料顆粒表面能尚無統一標準，在保持其它參數不變的情況下，根據相關經驗分別取顆粒表面能為100、200、300、400、500，對挖掘過程進行離散元仿真分析，顆粒表面能對挖掘阻力的影響如圖8所示。由圖8可知，顆粒表面能對于鏟斗的挖掘阻力的影響并不是特別明顯，因為顆粒表面能影響的是分子間的化學鍵，對于顆粒之間的吸引或者排斥并沒有影響。而且實際的顆粒表面能比較小，因此可以忽略顆粒表面能對挖掘阻力的影響。

綜上所述，物料屬性對大型礦用挖掘機的挖掘阻力存在一定影響。物料屬性屬于大型礦用挖掘機作業對象的固有屬性，是無法改變的，為提高大型礦用挖掘機的工作效率，需要從鏟斗結構設計方面考慮。

4? 鏟斗結構優化設計

4.1 鏟斗優化模型

鏟斗結構對于大型礦用挖掘機有非常重要的作用，它影響著挖掘機的工作效率。在使用EDEM軟件對挖掘過程進行離散元分析中發現，大型礦用挖掘機在挖掘過程中的最大挖掘阻力出現在第6s時，其應力云圖如圖9所示。

由圖9可知，應力最大值部分出現在斗壁和斗齒。由于斗壁表面有筋板和肋板加強，不容易失效，這里不對其進行分析。斗齒受力大，且直接與物料接觸，容易發生斷裂等失效形式，故需對斗齒部分進行分析，并進行優化設計。將斗齒受力分為兩個部分，其中向上的力為7.2×105N，抗壓作用力為2.19×106N，應用UG軟件對鏟斗結構進行有限元分析[9-11]，斗齒載荷圖和應力云圖分別如圖10和圖11所示。

斗齒的屈服極限為460MPa，許用應力表達式為[12，13]

式中：n為安全系數，安全系數的取值范圍一般為1.5到2。

安全系數取值為2，則許用應力為230MPa。由圖11可知，斗齒的最大應力為286MPa，已經超過材料的許用應力值，容易發生斷裂現象，所以必須對大型礦用挖掘機的斗齒結構進行優化設計。在保證鏟斗斗容滿足標準體積范圍內，對鏟斗結構進行優化設計[14，15]，優化前后的相關參數值如表4所示。

根據表4中優化后的鏟斗結構參數，在保證斗齒斗尖系數不變的情況下，將斗齒受力最大的部分加厚5mm，然后對其進行有限元分析。優化后的斗齒應力云圖和鏟斗結構圖分別如圖12和圖13所示。由圖12可知，斗齒的最大應力為184MPa，滿足材料的許用應力值。

4.2 離散元仿真對比分析

為了驗證優化模型的正確性，將其與原模型進行對比分析。在保證挖掘軌跡和其它相關參數一致的情況下，使用EDEM軟件對優化前后的大型礦用挖掘機的挖掘過程進行仿真模擬，優化前后的鏟斗受力云圖如圖14和圖15所示。由圖14和圖15對比分析可知，大型礦用挖掘機鏟斗的受力峰值優化后較優化前有所減小，驗證了優化模型的正確性。

優化前后挖掘機的挖掘阻力變化曲線如圖16所示。由圖16可知，優化前的挖掘阻力峰值為15.82kN，而優化后的挖掘阻力峰值為14.26kN，降低了9.86%。優化后的挖掘阻力峰值相對優化前的挖掘阻力峰值小，從而驗證了優化模型的有效性。優化前后挖掘機的挖掘質量如圖17所示。由圖17可知，優化前的挖掘質量峰值為30.07kg，而優化后的挖掘質量峰值為50.02kg，提高了66.35%。優化后的挖掘質量遠大于優化前的挖掘質量。

綜上所述可知，優化后的鏟斗結構在挖掘阻力和挖掘質量性能方面均優于優化前的鏟斗結構。經過優化的大型礦用挖掘鏟斗結構更加合理。

5? 結論

通過對WK-55大型礦用挖掘機鏟斗的三維建模，運用EDEM軟件對其進行離散元仿真分析。研究了不同物料參數對大型礦用挖掘機挖掘阻力的影響。挖掘阻力隨著顆粒密度的增大而大幅度的上升，幾乎是程線性分布。剪切模量對挖掘阻力具有一定的影響，在剪切模量增大的開始階段，挖掘阻力變化不是特別明顯，但隨著剪切模量繼續增大，挖掘阻力顯著增加。挖掘阻力隨著靜摩擦系數的增加而增加。

為提高大型礦用挖掘機的工作效率，對斗齒結構進行優化設計。在保證挖掘軌跡和其它相關參數一致的情況下，使用EDEM軟件對優化前后的大型礦用挖掘機的挖掘過程進行了仿真分析。挖掘阻力優化前的峰值為15.82kN，而優化后的峰值為14.26kN，降低了9.86%。挖掘質量優化前的峰值為30.07kg，而優化后的峰值為50.02kg，提高了66.35%。經過優化的大型礦用挖掘鏟斗結構更加合理。

參考文獻：

[1]孔翔.大型礦用挖掘機鏟斗結構優化設計[D].大連理工大學，2018.

[2]劉寶，馮志友，莫帥.正鏟液壓挖掘機工作裝置的動力學分析與仿真[J].機械傳動，2018（6）：115-119.

[3]Rashi Tiwari， Jeremy Knowles， George Danko. Bucket trajectory classification of mining excavators[J]. Automation in Construction， 2013（31）： 128-139.

[4]李洪，李光，寧曉斌.挖掘機鏟斗與松散巖石挖掘阻力研究[J].機電工程，2019，36（2）：164-167.

[5]高耀東，嚴鵬賀，陸家山，等.運用EDEM_FEM耦合方法的電鏟鏟斗強度分析[J].煤炭工程，2017（10）：126-132.

[6]王國強，郝萬軍，王繼新.離散單元法及其在EDEM上的實踐[M].西安：西北工業大學出版社，2010.

[7]孫偉，孔翔，宋學官，等.物料顆粒參數對大型礦用挖掘機挖掘阻力影響的仿真研究[J].礦山機械，2018，45（2）：18-24.

[8]楊旭，李冰，徐武彬，等.裝載機鏟裝過程仿真的物料堆建模方法研究[J].機械設計與制造，2018（5）：124-130.

[9]張澤璞，陶桂香，衣淑娟，等.板藍根收獲機挖掘鏟的設計與有限元仿真分析[J].農機化研究，2020（12）：39-45.

[10]丁仁政.鏟板式搬運車抬高箱的設計及有限元分析[J].煤礦機械，2020（2）：1-3.

[11]何洋，李曉豁.基于Workbench挖掘式裝載機鏟斗有限元分析[J].煤礦機械，2018（5）：171-172.

[12]Jungho Yoon， Jeonghwan Kim， Jongwon Seo， et al. factors affecting the loading efficiency of excavators[J]. Automation in Construction， 2014（48）： 97-106.

[13]程中修.液壓挖掘機鏟斗的失效分析和改進設計[D].山東大學，2016.

[14]王金武，李響，高鵬翔，等.胡蘿卜聯合收獲機高效減阻松土鏟設計與試驗[J].農業機械學報，2020（4）：1-14.

[15]陳凱，高彥玉，楊陸強，等.振動鏟式馬鈴薯收獲機的設計與仿真分析[J].農機化研究，2018（10）：44-50.