基于多學科聯合仿真的液壓挖掘機挖掘阻力研究

龍亞

摘要：在300噸以上大型礦用液壓挖掘機的研發中，其關鍵結構部件設計和液壓系統動力選配都離不開挖掘阻力等相關數據，缺乏挖掘機作業時的挖掘阻力，是目前國內大型液壓挖掘機正向開發的瓶頸之一。本文結合某重工企業研發600噸大型正鏟液壓挖掘機的項目，基于多學科聯合仿真，采用多體動力學軟件ADAMS、離散單元法軟件EDEM等相關仿真軟件，研究大型正鏟液壓挖掘機挖掘阻力的數值模擬計算方法，并對挖掘阻力進行分析，為企業正向開發提供設計依據。

關鍵詞：挖掘阻力;多體動力學;離散單元法

中圖分類號：TH243? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）05-0018-02

0? 引言

挖掘阻力是挖掘機工作過程中被挖掘物料施于鏟斗的反作用力，是其主要工作阻力，也是整個挖掘過程的外載荷。對于挖掘阻力的準確評估是挖掘機工作裝置強度校核、液壓回路設計及驅動電機功率匹配的重要基礎，對大型液壓挖掘機的整體設計具有重大意義[1]。

以往多數挖掘阻力模型是基于實驗的經驗公式，存在一定的局限性：①由于邊界條件的不同，實驗研究跟實際工況存在較大差異;②挖掘物料的非均質、各向異性且不連續等特性造成挖掘過程的隨機性和復雜性，很難準確評估挖掘阻力;③利用現場實測所得挖掘阻力，可作為挖掘機改進設計的依據，驗證挖掘機性能，但對于新產品的開發，仍然需要與實際基本相符的挖掘阻力資料[2]。

近年來將物料作為獨立的不連續介質點的集合體的離散單元法，是專門針對散體集合體受力時的運動規律和極限平衡的數值模擬方法，通過該方法并結合一定的相關實驗，能較為準確地對挖掘阻力進行評估[3]。本文基于多體動力學與離散單元法，采用聯合仿真的方式，探索大型正鏟液壓挖掘機挖掘阻力的數值模擬計算方法。

1? 多體動力學建模

大型礦用液壓挖掘機一般采用疊置式正鏟工作裝置，其工作裝置通用性強、操作靈活，本文主要研究挖掘機工作裝置的挖掘特性及受力分析，而不研究挖掘機回轉平臺和行走裝置的具體運動特性。基于某600噸型液壓挖掘機UG三維模型，對其回轉平臺和行走裝置進行簡化，連同挖掘機工作裝置分別導入多體動力學軟件ADAMS中，并保證ADAMS模型按照UG模型在同一坐標系進行建模：以挖掘機回轉中心軸線與停機平面的交點為坐標系原點O;以挖掘機前進方向作為X軸正方向;以前進方向的左側作為Y軸正方向;以挖掘機回轉中心軸線豎直向上方向作為Z軸正方向，具體運動學仿真模型如圖1所示。

運動學仿真模型包括行走裝置、回轉平臺、動臂、斗桿、鏟斗，以及相應的工作油缸：動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸。整個運動學仿真模型中包括5個運動驅動，如表1所示，通過這5個運動驅動即可實現液壓挖掘機運動學仿真分析，在對應的運動副中添加運動驅動函數即可驅動工作裝置進行典型挖掘工況的模擬挖掘。

斗桿挖掘工況是大型礦用正鏟液壓挖掘機最主要的挖掘工況，主要用于停機平面以上礦堆中下部的挖掘，挖掘過程中，動臂液壓缸伸出，決定起始高度;斗桿液壓缸收縮到最短行程附近;鏟斗液壓缸收縮調整到鏟斗斗齒與地面相切;先進行一段水平推壓工況，使鏟斗水平插入礦堆一定深度;然后斗桿油缸由最短伸至最長，鏟斗油缸同時調節，完場挖掘工況;最后由動臂舉升整個工作裝置，使鏟斗脫離礦堆以達到卸料的要求高度。

2? 離散單元法建模

仿真礦堆的構建直接影響到挖掘阻力仿真計算的精度，本文構建的仿真礦堆是依據實際分析的東鞍山鐵礦塊度分布與分形分布特征所構建[4]。挖掘機挖掘礦石的過程中主要考察的是礦石與鏟斗之間的相互作用，以及礦石與礦石之間的相互作用力，對于完全爆破情況下的礦堆，不考慮礦石顆粒之間的黏連作用，在離散單元法軟件EDEM仿真分析時選擇Hertz-Mindlin（no-slip）接觸模型作為仿真環境的接觸模型。其中的材料屬性參數（泊松比、密度、剪切模量）以及材料之間的接觸參數（靜摩擦系數、滾動摩擦系數、碰撞恢復系數）主要依據Barrios的研究成果來確定[5]。

EDEM軟件中所生成的仿真礦堆如圖2所示，礦石顆粒總數量到達了20萬數量級以上，總質量超過1千噸，礦堆寬度為10米，高度到達11米左右，構建大規模的仿真礦堆能進一步保證仿真挖掘的精度，使挖掘機在一次挖掘以后對礦堆整體不會造成影響，保證其邊界條件要求。同時對于大規模的仿真礦堆，礦石之間的力學性質也更符合實際情況，能保證計算過程中其內部接觸力的準確性。構建完成的礦堆自然堆積角約為40度，這與自然狀態下鐵礦石自然堆積角為40度左右相一致，礦堆密度略小于1.8t/m3，空隙率略大于40%，能較好的符合一般自然爆破情況下鐵礦空隙率為40%左右的要求。

3? 聯合仿真挖掘阻力

利用基于離散單元法所構建的東鞍山鐵礦仿真礦堆，在EDEM軟件中匹配與ADAMS軟件一致的挖掘機工作裝置相對運動，確保UG模型、ADAMS模型與EDEM模型單位和坐標相一致，聯合仿真完成該型600噸液壓挖掘機的典型斗桿挖掘工況。進行一次完整的聯合仿真斗桿挖掘工況后，鏟斗中礦石裝載量達到53噸，該型600噸液壓挖掘機的鏟斗容量為32m3，礦堆密度按照1.8t/m3計算，滿載質量為57.6噸，此次挖掘裝載率達到92%，較高的裝載量說明此次仿真挖掘較好的發揮了該型號挖掘機的裝載能力。整個挖掘工作過程中鏟斗所受的挖掘阻力可從EDEM軟件的后處理模塊中導出，如圖3所示。

如圖3為整個聯合仿真斗桿挖掘過程中鏟斗所受挖掘阻力的曲線圖，最大挖掘阻力為1680kN。整個挖掘阻力曲線可分為5段：OA段，鏟斗未接觸到礦石，阻力為零;AB段，為鏟斗平推階段，隨著鏟斗插入礦堆的深度不斷增加，阻力也不斷變大;BC段，為斗桿挖掘前半階段，隨著挖掘的進行，鏟斗中逐步裝入礦石，鏟斗也不斷深入礦堆，阻力增長到最大，并在一定時間內在最大阻力附近出現波動;CD段，此階段為斗桿挖掘的后半段，鏟斗中充滿了礦石，并隨著挖掘動作的進行，鏟斗開始脫離礦堆，鏟斗與礦堆的接觸減少，表現為挖掘阻力不斷減小;DE段，此時鏟斗已全部脫離礦堆，為動臂舉升階段，此階段鏟斗的受力為斗內礦石的重力，基本保持不變。

4? 結語

挖掘機作業時的挖掘阻力，是大型正鏟液壓挖掘機正向開發的重要參數之一，本文基于多學科聯合仿真，采用多體動力學軟件ADAMS、離散單元法軟件EDEM等相關仿真軟件，通過數值模擬計算得出大型正鏟液壓挖掘機的挖掘阻力，為大型液壓挖掘機的正向開發提供了設計依據，同時對基于離散單元法的顆粒物質力學研究及其工程應用有一定的參考價值。

參考文獻：

[1]孫剛，韓維國.挖掘機的靜態挖掘阻力分析[J].一重技術，2008（04）：29-30.

[2]林貴瑜，李愛峰，李奎賢.確定挖掘阻力關鍵因素值與方法的研究[J].東北大學學報（自然科學版），2010（12）：1761-1764.

[3]Karmakar S， Kushwaha R L. Dynamic modeling of soil–tool interaction： an overview from a fluid flow perspective[J]. Journal of terramechanics， 2006， 43（4）： 411-425.

[4]曾世奇.露天爆堆塊度分布譜[J].金屬礦山，1993（06）：17-25.

[5]Barrios G K P， de Carvalho R M， Kwade A， et al. Contact parameter estimation for DEM simulation of iron ore pellet handling[J]. Powder Technology， 2013， 248： 84-93.