裝載機(jī)鏟斗參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用

范丹丹，徐武彬，李 冰，劉萬(wàn)鋒

(廣西科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 柳州 545006)

1 引言

裝載機(jī)作為典型的土方類機(jī)械設(shè)備，在工農(nóng)業(yè)和建筑業(yè)中發(fā)揮著重要的作用。隨著裝載機(jī)發(fā)展的需要，自動(dòng)化、力學(xué)優(yōu)化和工作效率問題儼然已成為提升裝載機(jī)性能及整體設(shè)計(jì)水平的重要研究課題，而裝載機(jī)的鏟斗是其重要的工作部件[1]，且合理的鏟斗形狀有利于減少鏟裝阻力，提高整機(jī)的工作效率與生產(chǎn)能力[2]，而傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗(yàn)值的鏟斗設(shè)計(jì)方法已不能滿足現(xiàn)代設(shè)計(jì)的要求，因而對(duì)裝載機(jī)鏟斗進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)有著重要的意義。

為設(shè)計(jì)出合理的鏟斗斗型，實(shí)現(xiàn)作業(yè)過程的高效節(jié)能，需要對(duì)鏟裝作業(yè)過程和鏟斗尺寸結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)的研究。目前對(duì)裝載機(jī)工作過程的力學(xué)分析及工作軌跡的研究大都忽略或者簡(jiǎn)化了物料的相互作用及物料對(duì)鏟斗的作用，而基于密實(shí)核理論以經(jīng)驗(yàn)公式為基礎(chǔ)進(jìn)行研究[3]，從1973年至今，已提出50多種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，但效果都不太理想[4]；近期的研究主要集中于通過試驗(yàn)的方法確定鏟裝阻力的變化規(guī)律[5]，但其受鏟裝對(duì)象、試驗(yàn)環(huán)境、試驗(yàn)方法和次數(shù)的影響，重復(fù)性、變量控制等問題難以保證。在鏟斗結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，目前的研究主要集中在提高鏟斗使用壽命和工作過程中鏟斗的平移性，對(duì)鏟斗幾何形狀及截面參數(shù)的研究較少。最早以“回轉(zhuǎn)半徑法”進(jìn)行鏟斗斗型設(shè)計(jì)[6]，以回轉(zhuǎn)半徑為設(shè)計(jì)參數(shù)，用相關(guān)系數(shù)確定鏟斗幾何形狀；而后文獻(xiàn)[7]表明回轉(zhuǎn)半徑不是獨(dú)立的設(shè)計(jì)參數(shù)，其受鏟斗其他結(jié)構(gòu)參數(shù)影響；文獻(xiàn)[8]對(duì)鏟斗各參數(shù)進(jìn)行對(duì)比研究，從而優(yōu)化參數(shù)組合進(jìn)行鏟斗設(shè)計(jì)。這些方法雖然減少了經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的使用，但卻僅給出了一個(gè)設(shè)計(jì)的基本原則，理論與實(shí)踐基礎(chǔ)不夠充足。從現(xiàn)有鏟斗幾何形狀來(lái)看，并無(wú)統(tǒng)一的模式與標(biāo)準(zhǔn)，且國(guó)內(nèi)外都在探討鏟斗的合理斗形，但研究結(jié)果差別很大。因此有必要做進(jìn)一步探討，以確定鏟斗最佳斗形及其研究方法。

采用試驗(yàn)的方法獲取裝載機(jī)典型作業(yè)對(duì)象(碎石)的特性參數(shù)，并基于離散元素法，從散體力學(xué)的角度對(duì)鏟裝作業(yè)過程進(jìn)行分析，修正鏟斗的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，為鏟斗設(shè)計(jì)提供一種四參數(shù)設(shè)計(jì)參考模型。將此模型應(yīng)用到某企業(yè)產(chǎn)品中，根據(jù)四參數(shù)鏟斗設(shè)計(jì)原則研究不同截面幾何參數(shù)的鏟斗在相同條件下的插入阻力和滿斗率，并通過能量法對(duì)不同鏟斗進(jìn)行能量分析，得到滿斗率盡可能高且最節(jié)能的鏟斗，為裝載機(jī)節(jié)能型鏟斗設(shè)計(jì)提供可靠地依據(jù)。

2 鏟斗性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

從裝載機(jī)的實(shí)際使用情況出發(fā)，鏟裝物料工況是裝載機(jī)作業(yè)中最主要的工序，該典型工作循環(huán)主要通過插入、轉(zhuǎn)斗和提升完成，能量消耗占裝載機(jī)整體能耗的比重最大。例如，5t輪式裝載機(jī)的油耗達(dá)到每小時(shí)約30L，而在鏟裝作業(yè)過程中消耗的能量約占整體的四分之三。鏟裝過程的能耗主要是由于物料對(duì)鏟斗的阻力，因而分析裝載機(jī)鏟裝作業(yè)過程的力學(xué)特性，研究其力學(xué)優(yōu)化問題，實(shí)現(xiàn)減阻插入是減小鏟裝能耗和提高作業(yè)效率最直接的方法。

目前鏟斗設(shè)計(jì)與優(yōu)化皆以鏟斗斗容與插入阻力為評(píng)價(jià)指標(biāo)，而插入阻力是由多方面因素綜合作用的結(jié)果[9]，僅反映某一插入深度的情況。因此，僅以插入阻力作為評(píng)價(jià)指標(biāo)不能具體反應(yīng)整個(gè)鏟裝過程的特點(diǎn)，需用其他條件相同而僅斗形參數(shù)不同時(shí)的整個(gè)鏟裝過程的插入阻力來(lái)衡量。另外，阻力在插入過程中的不同階段是完全不相同的，插入阻力并未直接地、完全地反映斗形參數(shù)優(yōu)劣的本質(zhì)區(qū)別。因此通過研究不同截面幾何參數(shù)的鏟斗在相同條件下的插入阻力和滿斗率，并通過能量法對(duì)不同鏟斗進(jìn)行能量分析，以滿斗率盡可能高和節(jié)能為鏟斗性能評(píng)價(jià)指標(biāo)確定最佳斗形。

3 鏟裝作業(yè)過程分析

為研究鏟斗截面參數(shù)對(duì)插入阻力及滿斗率的影響，確定最佳的截面參數(shù)，需建立起鏟裝過程分析模型，主要包括鏟斗模型和物料料堆模型，并通過模擬鏟斗實(shí)際鏟裝軌跡，分析其鏟裝阻力情況。

3.1 鏟斗模型的建立

采用四參數(shù)法[10]設(shè)定鏟斗的相關(guān)截面系數(shù)，其中斗張角E0為斗底和斗后壁的夾角；底弧比D=L/R即斗底長(zhǎng)度L與圓弧半徑R之比；側(cè)刃傾角E1為側(cè)切削刃相對(duì)斗底的傾角；擋板高度系數(shù)G=M/R即擋板高度M與鏟斗圓弧半徑R之比，如圖1所示。

圖1 鏟斗主要基本參數(shù)Fig.1 Main Basic Parameters of the Bucket

根據(jù)國(guó)內(nèi)外論文及裝載機(jī)的樣本和圖紙[7]統(tǒng)計(jì)得到5噸裝載機(jī)鏟斗四個(gè)參數(shù)的大致范圍為G=0.30-0.35，E0=380-450，D=1.2-1.8，E1=500-600。為探究幾何形狀對(duì)鏟斗鏟裝阻力和滿斗率的影響，參考上述國(guó)內(nèi)外多型號(hào)裝載機(jī)統(tǒng)計(jì)資料設(shè)計(jì)了九個(gè)不同形狀鏟斗進(jìn)行仿真分析。具體參數(shù)如表1(其中斗底角全部為00，斗寬為2.9m，經(jīng)計(jì)算和標(biāo)定得平裝斗容為3.3m3及截面面積為1.13m2)。采用上述鏟斗模擬尺寸，在Pro/E中建立鏟斗模型，如圖2所示。

表1 鏟斗參數(shù)正交表Tab.1 Bucket Parameter Orthogonal Table

圖2 部分鏟斗模型Fig.2 Partial Bucket Model

3.2 物料料堆模型建立

為建立起更準(zhǔn)確的料堆模型，采用實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)合的手段對(duì)料堆模型進(jìn)行修正和驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)中的碎石物料采用容重r=1.56g/cm3，含水量0.3%的碎石，粒度為(40×40)mm，料堆高度固定在0.5m，堆積角度為其自然安息角。

借助HandySCAN700三維激光掃描儀采用逆向工程原理獲取碎石表面特征，填充后形成物料顆粒。為精確獲取作業(yè)阻力，需要綜合考慮物料顆粒間的相互作用、物料與機(jī)械零部件間的相互作用等關(guān)系，故采用Herz-Mindlin(No-Slip)接觸力學(xué)模型建立顆粒間接觸模型，從而求取碎石顆粒間的接觸力，該模型適用于散體顆粒間力學(xué)計(jì)算且計(jì)算效率高。

為建立更精準(zhǔn)的物料特性參數(shù)，設(shè)計(jì)了滾動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)定裝置、靜摩擦系數(shù)測(cè)定裝置等相關(guān)裝置，實(shí)驗(yàn)裝置，如圖3所示。碰撞恢復(fù)系數(shù)測(cè)試試驗(yàn)，如圖3(a)所示。靜摩擦系數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，如圖3(b)所示。滾動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)試試驗(yàn)，如圖3(c)所示。

圖3 物料接觸特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)Fig.3 Material Contact Characteristics Test

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定材料屬性與材料接觸屬性，如表2所示。建立的料堆模型與相關(guān)仿真和試驗(yàn)對(duì)比表明了模型的準(zhǔn)確性[11]。

表2 材料屬性表與材料接觸屬性Tab.2 Material Property Sheet and Material Contact Properties

實(shí)驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比：仿真模型自然安息角為35.08°，試驗(yàn)測(cè)得安息角數(shù)值為35.8°，仿真模型安息角略小于實(shí)驗(yàn)安息角，是由于仿真物料尺寸是在實(shí)驗(yàn)物料基礎(chǔ)上做了相應(yīng)簡(jiǎn)化，對(duì)此已經(jīng)采用了物料顆粒級(jí)配的手段進(jìn)行修正，結(jié)果已達(dá)到了更好的一致性。

3.3 鏟斗運(yùn)動(dòng)路徑

為提高仿真模型的準(zhǔn)確性，采用實(shí)機(jī)在某企業(yè)試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行鏟裝試驗(yàn)。在鏟斗鉸點(diǎn)處安裝銷軸傳感器，并通過屏蔽線將其與智能數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)連接，在裝載機(jī)后安裝位移傳感器，并通過鋼繩與之相連以測(cè)定鏟斗運(yùn)動(dòng)，實(shí)時(shí)測(cè)定鏟裝過程中的速度和加速度，為仿真參數(shù)及運(yùn)動(dòng)軌跡提供依據(jù)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得出裝載機(jī)鏟斗典型鏟裝作業(yè)時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡，將通用格式的鏟斗CAD模型導(dǎo)入EDEM中，模擬鏟裝作業(yè)時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)鏟斗插入、轉(zhuǎn)斗與崛起過程，通過后處理模塊分析鏟斗所有網(wǎng)格受力情況。

3.4 實(shí)驗(yàn)及仿真結(jié)果分析

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真插入阻力對(duì)比，仿真插入阻力較實(shí)驗(yàn)阻力偏大，但多次仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比，仿真曲線皆接近實(shí)驗(yàn)曲線。分析結(jié)果主要由于實(shí)驗(yàn)料堆中碎石形狀及尺寸分布復(fù)雜，仿真所建料堆模型中不同碎石形狀比例無(wú)法跟實(shí)驗(yàn)料堆完全一致，即仿真在一定程度上進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。通過多次修正模型使仿真曲線更接近實(shí)驗(yàn)，仿真精度已提高30%，實(shí)驗(yàn)與仿真偏差已在允許誤差范圍內(nèi)。同時(shí)，對(duì)滿斗率進(jìn)行測(cè)試，其仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也非常接近，可采用該仿真模型進(jìn)行鏟斗設(shè)計(jì)。

4 插入阻力與滿斗率的統(tǒng)計(jì)分析

4.1 插入阻力結(jié)果分析

對(duì)已設(shè)計(jì)的9款鏟斗進(jìn)行研究分析可得其插入階段所受插入阻力隨插入深度的增加而不斷增加，符合生產(chǎn)實(shí)踐中水平插入阻力變化。鏟斗插入料堆初期，水平插入阻力開始增長(zhǎng)較平緩，沒有出現(xiàn)大的波動(dòng)。插入一定深度時(shí)，由于插入過程中密實(shí)核不斷產(chǎn)生又被不斷破壞，導(dǎo)致插入阻力明顯增長(zhǎng)且波動(dòng)也越來(lái)越明顯，最后達(dá)到最大值。由于鏟斗設(shè)計(jì)是根據(jù)現(xiàn)有鏟斗參數(shù)范圍設(shè)定，9款鏟裝插入阻力比較接近，且阻力曲線不是平滑曲線，無(wú)法直觀的得到鏟斗的優(yōu)劣。

為更明顯的區(qū)分鏟斗鏟裝優(yōu)劣，采用能量法進(jìn)行對(duì)比分析，即對(duì)插入阻力在時(shí)間t上進(jìn)行積分，得到的平滑曲線，橫軸表示插入時(shí)間，縱軸表示對(duì)應(yīng)能量，如圖4所示。

圖4 插入阻力對(duì)時(shí)間積分曲線Fig.4 Insertion Resistance Versus Time Integral Curve

由圖4可以看出積分后曲線變得平滑，沒有明顯的跳動(dòng)，但由于密實(shí)核的存在而導(dǎo)致插入阻力的波動(dòng)，同樣也使插入過程中能量的變化存在明顯的波動(dòng)。由于圖4過于密集，不便于分析，將區(qū)分度明顯的(2～3)s階段截成三段，并進(jìn)行分段放大得到圖5積分曲線放大圖，(2～2.2)s、(2.2～2.5)s、(2.5～3.0)s三段各鏟斗能量對(duì)比情況，橫軸表示插入時(shí)間，縱軸表示對(duì)應(yīng)能量，如圖5所示。由圖5及積分?jǐn)?shù)據(jù)可以看出C1曲線平滑無(wú)波折，不僅較其他曲線平緩，且在鏟裝過程中所做的功最小，即鏟裝過程中所需要消耗的能量最少，即耗油量相對(duì)最少。

圖5 積分曲線放大圖Fig.5 Enlarged View of the Integral Curve

4.2 鏟斗滿斗率結(jié)果分析

為獲得更可靠的結(jié)果數(shù)據(jù)，選取大的時(shí)間步長(zhǎng)使得粒子在每次模擬中可取不同的流動(dòng)路徑，載荷重量的測(cè)定，如圖6所示。相同鏟斗和料堆鏟裝結(jié)果也有差異。因此，每個(gè)鏟斗仿真5次取平均值，如表3所示，表中單位均為kg。由表3可得C3，C5，C6，C7滿斗率明顯小于其他鏟斗，C1，C2鏟斗滿斗率較高。C2鏟斗雖然滿斗率最高，但是作業(yè)阻力明顯比C1鏟斗要高。綜合考慮，C1鏟斗最佳即C1鏟斗截面參數(shù)最佳，最優(yōu)截面參數(shù)為：E0=400，D=1.3，E1=520，G=0.31。

圖6 鏟裝物料質(zhì)量顯示Fig.6 Shovel Material Quality Display

表3 仿真鏟裝物料質(zhì)量統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Simulation of Shovel Material Quality Statistics

5 結(jié)論

基于離散元素法，從散體力學(xué)的角度對(duì)鏟裝過程進(jìn)行分析，可得到以下結(jié)論：(1)鏟裝過程的能耗主要是由于物料對(duì)鏟斗的阻力，而物料對(duì)鏟斗的阻力是個(gè)復(fù)雜變化的過程，因而分析裝載機(jī)鏟裝作業(yè)過程的力學(xué)特性，研究其力學(xué)優(yōu)化問題，實(shí)現(xiàn)減阻插入是減小鏟裝能耗和提高作業(yè)效率最直接的方法。

(2)為研究鏟斗截面參數(shù)對(duì)插入阻力及滿斗率的影響，確定最佳的截面參數(shù)，基于離散元法建立起了鏟裝過程分析模型，為鏟裝過程分析提供參考方法。(3)根據(jù)四參數(shù)鏟斗設(shè)計(jì)原則研究不同截面幾何參數(shù)的鏟斗在相同鏟裝條件下的插入阻力和滿斗率，通過能量法對(duì)不同鏟斗進(jìn)行能量分析，得到滿斗率盡可能高且最節(jié)能的鏟斗，對(duì)所設(shè)計(jì)的9款鏟斗進(jìn)行評(píng)估，得到了一款最優(yōu)鏟斗，最 優(yōu) 截 面 參 數(shù) 為：E0=400，D=1.3，E1=520，G=0.31，截 面 積S=1.14m2。為裝載機(jī)節(jié)能型鏟斗設(shè)計(jì)提供可靠地依據(jù)。