大型礦用自卸車廂斗裝載程序分析及力學特性研究

收稿日期：2023-09-18責任編輯：溫茂森

基金項目：國家自然科學基金資助項目（52205278）；山西省來晉工作優秀博士獎勵資助基金項目（20222126）

作者簡介：黃蕾（1989-），女，吉林四平人，博士研究生，主要研究方向為礦山裝備設計；通信作者：王朝華（1993-），男，山西運城人，博士，副教授，主要研究方向為結構優化與輕量化設計，Email：wangzhaohua@tyust.edu.cn。

摘要：自主裝卸是智能礦山建設中亟待突破的關鍵技術，電鏟-礦用自卸車合理的裝載程序能夠顯著降低電鏟裝卸作業難度，降低復雜動態載荷對廂斗力學性能的影響。以某型號礦用自卸車廂斗為研究對象，依據廂斗容量標定方法建立了廂斗的堆裝模型，確定廂斗堆裝容積；分析了廂斗安裝特點及結構特征，結合現場實際裝載經驗，提出了三種不同的裝載程序，并利用離散元方法對三種裝載程序進行仿真分析，研究不同裝載程序下廂斗裝載量、物料均勻性及底板承受的壓力等；在此基礎上，通過仿真分析研究廂斗滿載工況下的力學特性。結果表明，在廂斗裝載過程中將裝載位置放在廂斗滿載重心及前側位置可提升裝載量，各鏟裝載位置盡量靠近廂斗橫向方向的中軸線，本文提出的裝載程序二的裝載量最大，物料可通過自身堆積特性裝滿廂斗，并在廂斗內部的均勻性更好，且物料裝滿后廂斗底板的總壓力最小，當滿載后廂斗的最大變形量為7.50 mm，最大應力為326.85 MPa，滿足剛度、強度設計要求。

關鍵詞：礦用自卸車；廂斗；裝載程序；離散元分析；有限元分析

中圖分類號： U469.4文獻標識碼： ADOI：10.3969/j.issn.1007-791X.2024.06.004

0引言

礦用自卸車廣泛應用于大型露天礦產資源的開采作業，常與礦用機械式挖掘機（簡稱電鏟）配合完成地表層覆蓋的巖石土方剝離與運輸任務[1-2]。當前，智能礦山建設已成為全球礦山發展的重要趨勢，礦產企業均加快推進智能作業和無人化運輸[3-4]，其中，電鏟-礦用自卸車系統的自主裝卸是一項亟待突破的關鍵技術，是電鏟與礦用自卸車協調匹配的關鍵[5-6]。

當前礦用自卸車廂斗的裝載過程主要基于人工經驗，通過人眼識別不斷調整鏟斗位置，但廂斗滿載后運輸過程中容易出現撒料現象[7]。操作人員為了確保廂斗內物料均勻分布，將鏟斗放置離廂斗非常近的位置進行卸料，難以避免會發生碰撞，針對該問題不少學者開展了廂斗的結構優化研究。黃蕾等[8]基于結構仿生學對廂斗的筋板布局進行優化設計，提高了廂斗承載性能的同時確保其底板應力分布更加均勻；譚曉丹等[9]針對現有電鏟自主裝卸時在料堆重構、環境感知、目標識別等領域存在的技術難題，提出了一種以載荷均衡分布為目標的礦用自卸車斗型優化方法，提高了廂斗的載荷均勻性；Mi等[10]使用有限元方法對自卸車結構進行了失效分析，并結合實測數據進行了多目標優化。盡管通過結構優化可改善廂斗的承載性能，但大型露天礦場工作環境惡劣，工作載荷波動巨大[11]，電鏟自主裝卸作業存在遮擋多、振動大、干擾強等不利因素，難以實現高效、精準的連續均衡裝載。

廂斗是運輸物料的直接承載體，也是礦用自卸車上最大最重的零部件，從電鏟與礦用自卸車自主裝卸的源頭上研究其裝載過程，給出合理的裝載程序，將提高廂斗的服役壽命及工作可靠性。針對廂斗裝載問題，已有學者開展斗體內物料分布規律研究。田筱劍等[12]基于離散元方法對鏟裝和卸載過程中鏟斗內顆粒的分布規律進行了分析，給出了裝載過程中鏟斗內的顆粒分布和卸載過程中顆粒流出鏟斗的順序，為后續制定電鏟鏟斗控制策略提供了依據；楊國彪等[13]基于離散元技術研究了礦用自卸車正常行駛及爬坡過程中物料的動態安息角，提出物料穩定裝載情況下廂斗結構的設計方法；Hagenbuch[14]根據廂斗內物料分布規律，提出了一種改進的自卸車標準載荷計算方法，與SAE標準相比更加接近實際裝載狀態；Yao等[15]利用圖像和機器學習技術提出了一種斗內載荷分布預測方法。以上研究主要關注裝載物料過程中廂斗內部的載荷分布情況，而對裝載程序的研究較少。因此，研究電鏟-礦用自卸車合理的裝載程序并制定廂斗裝載策略，能夠降低電鏟自主裝卸作業難度，進而降低復雜動態載荷下廂斗的受力狀態。

礦用自卸車裝載過程中廂斗的受力包括兩個方面，一方面廂斗底板受物料的沖擊載荷，另一方面當物料在廂斗內堆積后會產生壓力載荷，隨著物料的不斷堆積，廂斗內部會受到沖擊載荷和壓力載荷的耦合作用，且載荷值不斷增加。為了獲取廂斗在裝載過程中的受力情況，朱曉晶等[16]采用靜水壓力模擬礦石的堆積效果，將礦石的重量視為廂斗底板承受的壓力載荷，研究了廂斗在全載重下的剛度和強度；申焱華等[17]將廂斗中的礦石堆裝形式簡化為階梯狀，將廂斗滿載時礦石的重量作為總載荷施加在廂斗底板上，研究了廂斗的極限受載情況；黃蕾等[8]認為廂斗裝載過程中即便有礦石的沖擊載荷，但沖擊載荷量小于滿載礦石后的重力載荷，將礦石滿載時底板的壓力載荷、前板和側板受到的土方壓力施加在廂斗上進行力學特性分析。綜上可知，當前對于廂斗裝載過程中的力學特性分析未考慮廂斗裝載過程的受力情況，只是將廂斗滿載時礦石的重量作為壓力載荷，通過有限元分析獲取其力學性能。

本文針對智能礦山建設中對電鏟-礦用自卸車系統的自主裝卸要求，結合現場經驗提出三種裝載程序，并利用離散元方法研究不同裝載程序下的廂斗裝載量、物料均勻性及底板承受的壓力等，在此基礎上，通過仿真分析研究廂斗滿載工況下的力學特性，為電鏟-礦用自卸車系統的自主裝卸研究提供理論依據。

1礦用自卸車裝載原理

1.1廂斗結構介紹

圖1為本文研究的某廂斗結構圖，其作為礦用自卸車的直接工作部件，容積決定著礦用自卸車運輸物料的裝載量。廂斗由底板、前板、側板和護板等部件組成，其中，底板、前板和側組組成一個三面封閉式空間，用于裝載物料，護板用來保護走臺和駕駛室。

本文研究的廂斗長、寬、高分別為12 246 mm、6 730 mm、4 203 mm，自重31.139 t，配備WK35電鏟進行采裝作業，通常4鏟即可裝滿。廂斗由NM360鋼板焊接制成，裝載的物料為煤，其材料屬性見表1所示。

1.2廂斗容積計算

廂斗的容積分為堆裝容積和平裝容積，根據GB/T 25689[18]給出的自卸車車廂容量標定方法，結合圖1所示廂斗結構特征，建立堆裝物料三維模型如圖2所示。

經測量得廂斗的堆裝容積為143.24 m3，該值為廂斗的理論堆裝量，實際生產過程中廂斗的裝載量受結構局部特征的影響會有一定的上下浮動，本文以理論堆裝值為準，可裝214.86 t的煤。

2裝載程序及仿真模型

2.1裝載程序

礦用自卸車的裝載工況是指物料從電鏟鏟斗向廂斗內不斷堆積的過程，物料在一定的高度以一定的速度自由落體運動。裝載初始階段，沖擊載荷直接作用在廂斗底板和前板上并傳遞到車架，易引起廂斗結構局部破壞；而在裝載后期，廂斗內部已填充了部分物料，此時沖擊載荷主要作用在斗內物料上，受物料松散度的影響，沖擊載荷得到緩沖，廂斗底板承受著物料壓力和局部沖擊載荷的耦合作用。現場經驗發現，物料以不同的裝載順序進入斗體對廂斗的沖擊效果不同。

本文將不同的物料裝載位置及裝載順序稱為廂斗的裝載程序，由于本文研究的礦用自卸車通常與WK35電鏟協同作業，4鏟裝滿，即裝載程序分四步完成。依據廂斗的安裝特點及結構特征，結合現場實際裝載經驗，廂斗前置液壓缸鉸接孔、后置舉升鉸接孔、滿載后的重心以及底板和前板的過渡區域是常用的裝載位置，提出圖3所示的三種裝載程序。

裝載程序一：第1鏟落料點在礦用自卸車中軸線的后軸區域，該位置與廂斗滿載后重心位置重合，第2鏟和第3鏟的落料點分別位于礦用自卸車底板尾部左右兩側的后懸掛附近，第4鏟的落料點位于礦用自卸車中軸線上底板和前板的過渡區域。

裝載程序二：第1鏟和第2鏟的落料點均位于礦用自卸車中軸線后軸區域的重心位置，第3鏟和第4鏟的落料點均位于中軸線上的廂斗底板前置液壓缸鉸接孔位置，物料通過自身堆積特性裝滿廂斗。

裝載程序三：第1鏟和第3鏟的落料點均位于礦用自卸車中軸線后軸區域重心位置的左側端，第2鏟和第4鏟的落料點均位于礦用自卸車中軸線后軸區域重心位置的右側端，物料通過自身堆積特性裝滿廂斗。

2.2離散元模型

離散元技術是一種分析離散體物料的方法，通過離散元仿真可以模擬出不同裝載程序下物料在廂斗內部的堆裝形態。圖4為廂斗內物料裝載過程示意圖，顆粒工廠用于模擬電鏟鏟斗的卸料過程，共生成214.86 t的煤顆粒，由于本文研究的礦用自卸車廂斗四鏟即可裝滿，將每個裝載步的顆粒工廠生成量設置為53.72 t，每鏟裝載時間為5 s，每秒裝載量約10 t，每鏟裝載完成后間隔3 s開始下一鏟的裝載。

依據電鏟鏟斗的結構尺寸，將生成顆粒的平面尺寸設置為2 000 mm×2 000 mm，每鏟裝載高度為4 900 mm，顆粒大小設置為350 mm的三球型顆粒，如圖5所示。

由于煤顆粒不能被壓縮而且沒有黏結性，本文選用Hertz-Mindlin無滑動接觸模型模擬顆粒間的接觸狀態[19-20]，在顆粒堆積過程中，顆粒與顆粒、顆粒與廂斗內壁會產生接觸和碰撞，這些相互作用會影響物料的堆積狀態，煤與煤、煤與耐磨鋼之間的接觸參數如表2所示，包括恢復系數、靜摩擦系數和滾動摩擦系數。

最終，在離散元軟件EDEM中建立了三種裝載程序的離散元模型，并進行仿真分析，得到如圖6所示各裝載程序下廂斗內物料的分布規律。

2.3結果分析

1） 廂斗裝載量

首先，研究廂斗在三種不同裝載程序下的物料總裝載量，在圖6廂斗空間域內建立質量檢測區域，得知三種裝載程序的裝載量分別為183.59 t、199.74 t、188.86 t。裝載程序一物料撒落最多，且廂斗內部的物料分布不均勻，從側面看存在四個局部高點，主要原因是裝載程序一的4次裝載位置分布距離較遠，第2鏟和第3鏟的落料點分別位于礦用自卸車底板尾部左右兩側的后懸掛附近，物料在廂斗尾部堆積后部分撒落至廂斗外部；裝載程序二的總裝載量最大，且在廂斗內部形成了一個完整的堆積形態，主要原因是裝載程序二的4次裝載位置分布距離較近，且落料點均位于廂斗滿載重心及前側位置，物料充分堆積后依靠自身重力填滿廂斗；裝載程序三的總裝載量位于前兩者之間，料堆最高點位于廂斗底板中間位置，與落料點位置重合，而廂斗前板物料相對較少，部分物料直接從尾部撒落。對比三種裝載程序可知，裝載程序二的裝載量最大，該裝載程序既在礦用自卸車中軸線后軸區域的重心位置落料，又在廂斗底板前置液壓缸鉸接孔位置落料，由此可見，在廂斗裝載過程中，盡量將裝載位置放在廂斗滿載重心及前側位置，不宜將裝載位置放在廂斗滿載重心的后側位置。

2） 物料分布均勻度

然后，研究廂斗在三種不同裝載程序下的物料分布均勻度，主要是指廂斗中軸線左右兩側的物料質量對比，好的物料分布均勻度可確保礦用自卸車滿載行駛過程中更加穩定可靠，相反，物料分布不均勻將會導致行駛過程中整車失穩，甚至發生事故。對廂斗滿載后的三種裝載程序以中軸線進行左右區域劃分，并建立相應的質量檢測區域，如圖7所示。可以看出三種裝載程序左右兩側區域質量相差分別為2.67 t、1.68 t、11.28 t，可知裝載程序二可以實現對廂斗的合理裝載，保證礦用自卸車在滿載行駛過程中不發生側翻，裝載程序三的4次裝載為左右側交替裝載，左右兩側物料的質量差最大，因此，在實際裝載過程中建議裝載位置盡量位于中軸線上。

3） 廂斗底板總壓力

最后，研究廂斗在三種不同裝載程序下的底板壓力。在廂斗底板建立壓力檢測區域，如圖8所示，將壓力檢測結果記錄在圖9。可以看出，隨著物料不斷增加，三種裝載程序底板受到的總壓力不斷增大，物料裝滿后廂斗底板承受的總壓力保持不變，其中，裝載程序二廂斗底板的總壓力最小，裝載程序一和三次之。可知礦用自卸車廂斗裝載量大并不代表底板承受壓力就大，廂斗內部的物料由底板和前板共同承擔，底板是其中主要承載部件并非唯一承載部件，不同的裝載程序下前板和底板上方的物料質量不同。

觀察整個裝載過程的壓力變化趨勢，每鏟裝載過程中底板總壓力達到峰值后略有下降，對應圖中5～8、13～16、21～24、29～32 s，實際上各鏟裝載過程中第5、13、21、29 s四個時刻顆粒工廠停止落料，此時廂斗內部物料不再承受物料的沖擊載荷，廂斗底板只受到斗內物料的壓力載荷，因此這四個時刻底板承受了局部峰值，在3 s間隔后進行下一鏟裝載，該過程中物料基于自身重力和接觸特性出現局部滑動并趨于穩定，使得廂斗內物料分布更加穩定，進而造成底板總壓力略微降低。

3廂斗力學特性分析

根據圖9給出的廂斗在裝載過程中底板承受的壓力載荷隨時間的變化規律，建立廂斗滿載工況下的有限元模型，通過仿真分析研究其力學特性。

3.1有限元模型

當礦石裝滿廂斗后，受廂斗在車架安裝角度的影響，底板和前板同時承受物料的重量，見圖10 （a）所示，分別對應重力G1和重力G2，將堆裝物料三維模型從底板和前板交接位置分割開，測得G1為1.73×106 N，G2為3.8×105 N，此外，考慮到礦車遇到顛簸路面，物料會對底板產生沖擊效果，需要將動載荷以靜載荷的形式作用在底板上模擬沖擊效果，故取動載荷系數為1.2。對于側板承受的載荷如圖10（b）所示，其主要承受物料堆積過程中的土方壓力載荷P1和P2，其值從廂斗底板向上線性減小，通常采用庫倫土力學理論計算側板的壓力[21]：Pi=Kaρgh，（1）式中：Ka為主動土壓力系數，在滿載勻速工況下取值為0.66，即廂斗側板受到的土方壓力為相同高度下靜水壓的0.66倍[22]；ρ為密度；g為重力加速度。廂斗前板受到的載荷同側板相似，此處不再詳細說明。

在進行廂斗的有限元分析時，為了提高計算效率，忽略模型中擋泥板、油路管道、接線孔等細節特征，將鋼板間的焊縫用實體特征替代，得到簡化模型后導入仿真軟件中進行有限元劃分，單元類型選擇包含四面體和六面體的混合單元，共離散出787 834個單元和1 533 210個節點。

3.2力學性能評價

通過計算得到廂斗在滿載后的變形、應力分布如圖11所示。最大變形量為7.50 mm，出現在廂斗側板尾部的懸臂端，該值與廂斗整體尺寸相比，可以忽略不計；最大應力為326.85 MPa，遠小于材料的屈服強度，從圖中可以看出最大應力出現在底板的縱梁上，而其他斗體、筋板大部分區域的應力值均小于50 MPa，表明載荷通過縱梁傳遞到車架，與廂斗的載荷傳遞規律相符，且滿足強度設計要求。

4結論

本文以某型號礦用自卸車廂斗為研究對象，通過分析廂斗堆裝容積、工作特點及現場實際裝載經驗，提出了三種不同的裝載程序，并利用離散元方法對三種裝載程序進行仿真分析，研究不同裝載程序下廂斗裝載量、物料均勻性及底板承受的壓力等，得出在廂斗裝載過程中將裝載位置放在廂斗滿載重心及前側位置可提升裝載量，不宜將裝載位置放在廂斗滿載重心的后側位置，各鏟裝載位置盡量靠近廂斗橫向方向的中軸線。廂斗在滿載后的最大變形量為7.50 mm，出現在廂斗側板尾部的懸臂端，最大應力為326.85 MPa，遠小于材料的屈服強度，且斗體、筋板大部分區域的應力值均小于50 MPa，表明廂斗滿足剛度、強度設計要求。

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Optimization of loading program and mechanical characteristics

analysis of large mining dump truck carriage

HUANG Lei， YANG Guobiao， JI Haonan， MENG Wenjun， WANG Zhaohua

（College of Mechanical Engineering， Taiyuan University of Science and Technology， Taiyuan， Shanxi 030024， China）

Abstract： Autonomous loading and unloading is a key technology that urgently needs to be breakthrough in the construction of intelligent mines. A reasonable loading program for electric shovels and mining dump trucks can significantly reduce the difficulty of autonomous loading and unloading operations for electric shovels， and reduce the impact of complex dynamic loads on the mechanical performance of the carriage. Taking a certain model of carriage as the research object， a stacking model is established based on the bucket capacity calibration method， and the stacking volume is determined. Three different loading programs are proposed based on the installation characteristics and structural features of the carriage， combined with actual loading experience on site. The discrete element method is used to simulate and analyze the loading capacity， material uniformity， and pressure borne by the bottom plate of the carriage under different loading programs. On this basis， the mechanical characteristics of the carriage under full load conditions are studied through simulation analysis. The results show that placing the loading position at the full load center and front position can increase the loading capacity， and the loading position of each shovel should be as close as possible to the central axis in the transverse direction of the carriage. The loading program 2 proposed in this paper has the highest loading capacity， and the material can be filled into the bucket through its own stacking characteristics， with better uniformity. And the total pressure on the bottom plate of the carriage is minimized after the material is filled. The maximum displacement of the carriage is 7.50 mm and the maximum stress is 326.85 MPa， which meets the requirements of stiffness and strength design.

Keywords： mining dump truck;carriage;loading programs;discrete element analysis;finite element analysis