地下鏟運機鏟裝阻力分析*

□ 張元清 □ 郭 鑫,3 □ 姜 勇 □ 高澤宇 □ 王 凱

1.礦冶科技集團有限公司 北京 100160 2.北礦機電科技有限責任公司 北京 100160 3.北京科技大學 機械工程學院 北京 100083

1 分析背景

實現(xiàn)地下鏟運機的智能鏟裝控制,一方面要結(jié)合地下鏟運機工作裝置的運動學模型建立地下鏟運機工作裝置運動學方程,另一方面要結(jié)合地下鏟運機鏟裝過程中鏟斗受力情況進行鏟裝軌跡的規(guī)劃[1-3]。目前,關(guān)于鏟運機的運動學模型,國內(nèi)外學者已有相當多的研究[4-6],如Koivo[7]應用Denavit-Hartenberg齊次變換矩陣法建立完整的鏟運機運動學模型,浙江大學對挖掘機器人基于齊次變換矩陣進行運動學建模等。國內(nèi)外學者對鏟運機鏟裝過程力學性能的研究經(jīng)歷了從試驗中歸納經(jīng)驗公式、利用散體力學和土力學原理理論計算、數(shù)值模擬計算等階段[8-9],但是由于礦石料堆本身屬性的差異性,并沒有找到合適完善的數(shù)學模型進行描述歸納,因此鏟運機鏟裝過程阻力研究進展相對緩慢。筆者應用EDEM軟件仿真生成礦石料堆顆粒,導入鏟斗模型,并設定合適的鏟裝動作,完成地下鏟運機鏟裝阻力仿真分析。

2 礦石料堆模型

在仿真模擬地下鏟運機鏟裝物料的過程中,除了需要在EDEM軟件的前處理器中創(chuàng)建顆粒模型外,還需要導入在ProE三維軟件中創(chuàng)建的鏟斗模型。

筆者對離散單元模型做以下設定[10-12]:

(1)礦石料堆的種類為顆粒堆積,礦石顆粒屬于無黏性單體,并且在鏟裝過程中不發(fā)生顆粒的擠壓破碎或壓實黏結(jié)情況;

(2)地下鏟運機工作前,礦石料堆已經(jīng)形成有一定安息角的散體料堆,礦石料堆整體狀態(tài)穩(wěn)定;

(3)仿真過程中,地下鏟運機前進速度、鏟斗翻轉(zhuǎn)角速度等為勻速;

(4)創(chuàng)建采場空間時,模擬實際地下鏟運機在礦山鏟裝礦石堆料時地下巷道情況,采用三面環(huán)繞,只留出一面作為鏟裝工作空間。

查閱相關(guān)資料,設定礦石料堆的材料屬性,見表1,其中阻力因數(shù)、摩擦因數(shù)為礦石顆粒與礦石顆粒間的物理參數(shù)。

表1 礦石料堆屬性

設定礦石料堆相關(guān)參數(shù)后,進行模型生成。實際礦山中,礦石爆破后產(chǎn)生的礦石顆粒主要為球體顆粒、橢圓體顆粒、不規(guī)則扁平體顆粒,為此,筆者采用由多球面絡合而成的多種顆粒模型來近似逼近實際礦石顆粒。多球面絡合顆粒物如圖1所示。

▲圖1 多球面絡合顆粒物

礦石顆粒尺寸大小及數(shù)量不一,為此設定了正態(tài)分布來描述礦石顆粒尺寸大小及數(shù)量間的關(guān)系。設定礦石顆粒的半徑大小服從N(1,0.05)正態(tài)分布,添加顆粒加工工廠,設置合適的工廠位置和顆粒數(shù)量,使礦石顆粒自由落體生成礦石料堆,最終生成有一定安息角的穩(wěn)定礦石料堆。礦石料堆模型如圖2所示。

3 鏟斗模型

從設備材料中選取并設定鏟斗屬性,見表2,其中阻力因數(shù)、摩擦因數(shù)為礦石料堆與鏟斗間的物理參數(shù)。

▲圖2 礦石料堆模型

表2 鏟斗屬性

在ProE軟件中建立鏟斗的三維模型,生成.x_t格式文件,通過EDEM軟件前處理器中的Geometries模塊導入,如圖3所示。

▲圖3 導入鏟斗三維模型

由于礦石料堆通常為無黏性,因此選擇接觸模型為軟件默認的Hertz-Mindlin(no-slip)模型,這樣能更加貼近實際,反映出顆粒間的作用力與變形、碰撞速度的變化關(guān)系。為鏟斗添加運動驅(qū)動,EDEM軟件提供了三種運動驅(qū)動方式:線性平移旋轉(zhuǎn)、正弦平移旋轉(zhuǎn)、傳送帶平移旋轉(zhuǎn)。筆者以配合鏟裝法為主,首先使鏟斗平移向前插入礦石料堆,然后鏟斗翻轉(zhuǎn)舉升。為真實模擬鏟裝運動狀態(tài),在EDEM軟件中首先通過線性平移模擬鏟斗插入礦石料堆階段,然后以線性平移旋轉(zhuǎn)進行復合驅(qū)動來實現(xiàn)鏟斗翻轉(zhuǎn)舉升。

4 仿真過程

根據(jù)設定的參數(shù)進行配合鏟裝法的鏟裝仿真,整個鏟裝過程可以分為鏟裝初期、鏟斗插入階段、鏟斗翻轉(zhuǎn)舉升階段、鏟裝完成四步。為了清晰觀察整個鏟裝過程中礦石料堆的變形,筆者對采場空間和鏟斗模型進行透明度設定,采場空間透明度設置為1,鏟斗模型透明度設置為0.6。鏟裝過程中礦石料堆顆粒變化如圖4所示。

▲圖4 鏟裝過程中礦石料堆顆粒變化

在EDEM軟件后處理模塊中以鏟斗的中心面作為截斷平面,選取截斷平面一側(cè)模型觀察礦石料堆和鏟斗的相互作用情況。選取礦石料堆在鏟裝過程中的碰撞速度變化情況來反映礦石料堆的變形。碰撞速度越大，表明礦石料堆的變形越大,受力變化也越大。配合鏟裝法仿真云圖如圖5所示。

▲圖5 配合鏟裝法仿真云圖

5 仿真結(jié)果

在EDEM軟件仿真時,以地下鏟運機前進方向作為X軸負方向,Y軸正方向豎直向上,Z軸正方向按右手原則豎直向內(nèi)。同時定義地下鏟運機的切向鏟裝阻力Ft為礦石料堆與鏟斗斗底板剪切作用產(chǎn)生的力，平行于鏟斗斗底板且作用于鏟斗。地下鏟運機的法向鏟裝阻力Fn為礦石料堆與鏟斗斗底板擠壓作用產(chǎn)生的力，垂直于鏟斗斗底板且作用于鏟斗。鏟裝過程受力如圖6所示。

▲圖6 鏟裝過程受力

通過EDEM軟件后處理模塊得到鏟斗在鏟裝過程中受到的鏟裝阻力在X軸、Y軸、Z軸三個方向隨時間的變化情況。

在仿真中設定15 s時開始鏟裝,35 s時鏟裝完成,鏟裝阻力變化曲線如圖7所示。

▲圖7 鏟裝阻力變化曲線

結(jié)合圖5、圖6、圖7可以看出,在鏟裝初期,礦石料堆碰撞速度較小,變形較小,鏟斗受到來自礦石料堆的鏟裝阻力不大。隨著鏟斗插入礦石料堆深度的增大,鏟斗擠壓礦石顆粒,礦石料堆變形增大,鏟斗鏟裝阻力急劇增大。之后鏟斗的翻轉(zhuǎn)舉升破壞了礦石料堆對鏟斗的擠壓和剪切,鏟斗受到的鏟裝阻力開始減小。鏟斗逐漸脫離礦石料堆時,鏟裝阻力逐漸減小。當鏟斗內(nèi)的礦石顆粒趨于穩(wěn)定時,鏟斗受到的鏟裝阻力主要來自于鏟斗內(nèi)礦石顆粒的擠壓和剪切,鏟裝阻力基本穩(wěn)定在某一數(shù)值。鏟裝阻力在Z軸方向上分力的變化與礦石料堆對鏟斗的擠壓有很大關(guān)系。在鏟斗插入階段,礦石料堆對鏟斗兩側(cè)斗刃板進行擠壓,造成力的變化。當鏟斗翻轉(zhuǎn)舉升時,礦石顆粒對鏟斗的擠壓減弱,甚至沒有擠壓,力基本穩(wěn)定在一個定值。

由于鏟裝阻力在各個軸向的分力并不能直觀體現(xiàn)鏟裝阻力的具體變化,因此應用EDEM軟件Element下拉列表中的接觸顯示菜單顯示礦石料堆與鏟斗間法向鏟裝阻力、切向鏟裝阻力、總受力的變化曲線,依次如圖8、圖9、圖10所示。

▲圖8 鏟斗法向鏟裝阻力變化曲線

▲圖9 鏟斗切向鏟裝阻力變化曲線

▲圖10 鏟斗總受力變化曲線

由圖8～圖10可以直觀看出,在鏟斗插入礦石料堆階段,鏟裝阻力與插入深度成正比。在19 s左右時,鏟斗插入階段完成,鏟斗翻轉(zhuǎn)舉升階段開始,此刻法向鏟裝阻力、切向鏟裝阻力、總受力均達到最大值,依次為74.06 kN、34.86 kN、81.66 kN。之后伴隨鏟斗的翻轉(zhuǎn)舉升,鏟斗無需克服來自礦石料堆的剪切和擠壓,鏟裝阻力逐漸減小,最終趨于穩(wěn)定。

6 結(jié)束語

筆者應用EDEM軟件對地下鏟運機鏟裝阻力進行分析,在分析中盡可能還原礦石顆粒和實際礦石鏟裝情況,獲取鏟裝過程中礦石料堆的變形及鏟斗的鏟裝阻力變化曲線,為實現(xiàn)地下鏟運機智能化鏟裝控制提供了力學性能數(shù)據(jù),為鏟斗的鏟裝姿態(tài)規(guī)劃控制打下了基礎。