裝載機(jī)鏟斗作業(yè)過程仿真分析

李玉鳳，李 冰，姬國強(qiáng)

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

裝載機(jī)工作裝置的高效設(shè)計、裝載機(jī)能耗以及耐久性品質(zhì)設(shè)計等一直是裝載機(jī)設(shè)計過程中的重要關(guān)注點。王慈[1]采用計算機(jī)優(yōu)化設(shè)計計算鏟斗截面，能夠快速準(zhǔn)確的設(shè)計出所需鏟斗；王得勝等[2]基于土力學(xué)原理分析了裝載過程及料堆對鏟斗的作用力，并建立了插入阻力和鏟取阻力的計算公式，通過實驗和數(shù)字仿真驗證了基于土力學(xué)的插入阻力和鏟取阻力的數(shù)字仿真曲線比基于經(jīng)驗公式的數(shù)字仿真曲線更加接近實驗曲線，為裝載機(jī)鏟裝作業(yè)阻力的研究提供了一種技術(shù)參考；高鑄成等[3]建立了某型裝載機(jī)工作裝置三維模型，并基于ADAMS軟件對其作業(yè)工況進(jìn)行態(tài)仿真和力學(xué)仿真分析，驗證了工作裝置模型設(shè)計符合產(chǎn)品實際，為產(chǎn)品后續(xù)分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

提升這些性能的關(guān)鍵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是對裝載機(jī)作業(yè)阻力的研究，然而，前期對作業(yè)阻力的研究更依賴于試驗手段或者通過經(jīng)驗公式。經(jīng)驗公式基于密實核理論，忽略散體力的作用而使計算精度較弱，而試驗手段受限于試驗次數(shù)及試驗對象、試驗可重復(fù)性、試驗消耗等問題也難以精確獲取各種作業(yè)對象下的作業(yè)阻力。

基于此，本文通過建立某型裝載機(jī)工作裝置的仿真模型，借助ADAMS分析裝載機(jī)作業(yè)阻力及工作油缸受力，以輸出鏟斗在工作過程中的速度、加速度—時間曲線作為離散元分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；同時，采用試驗的方法裝載機(jī)典型作業(yè)對象（碎石）的特性參數(shù)，基于上述研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用離散元分析軟件EDEM完成了裝載機(jī)鏟斗作業(yè)過程的仿真分析。對所獲取的作業(yè)阻力進(jìn)行分析研究得出，本文所提方法可為裝載機(jī)鏟裝作業(yè)分析提供一種新的計算方法，同時該研究也可為確定提升裝載機(jī)性能提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 離散單元方法的基本原理

離散單元法[4]（Discrete Element Method，DEM）是Cundall于1971年提出來的，它是一種顯式求解的數(shù)值方法。離散單元法也像有限單元法那樣，將區(qū)域劃分成單元，單元之間相互作用的力可以根據(jù)力和位移的關(guān)系求出，而個別單元的運動則完全根據(jù)單元所受的不平衡力和不平衡力矩的大小按牛頓運動定律確定。該方法是繼有限元法、計算流體力學(xué)（CFD）之后，用于分析物質(zhì)系統(tǒng)動力學(xué)問題的又一種強(qiáng)有力的數(shù)值計算方法。離散單元法通過建立固體顆粒體系的參數(shù)化模型，進(jìn)行顆粒行為模擬和分析，為解決眾多涉及顆粒、結(jié)構(gòu)、流體與電磁及其耦合等綜合問題提供了一個平臺，已成為過程分析、設(shè)計優(yōu)化和產(chǎn)品研發(fā)的一種強(qiáng)有力的工具。

2 多體動力學(xué)軟件的仿真分析

2.1 裝載機(jī)工作裝置三維模型的建立

基于某工廠的一型常用裝載機(jī)，并對該型裝載機(jī)的工作裝置進(jìn)行簡化處理，用UG軟件分別建立改型動臂、搖臂、連桿、鏟斗、舉升液壓缸、轉(zhuǎn)斗液壓缸的三維模型，并進(jìn)行裝配（如圖1），導(dǎo)出多體動力學(xué)軟件ADAMS識別的.x_t文件。

圖1 裝載機(jī)工作裝置圖

2.2 裝載機(jī)工作裝置的導(dǎo)入與仿真

將建立好的裝載機(jī)工作裝置三維模型文件的.x_t文件導(dǎo)入ADAMS軟件中，并在ADAMS中基于裝載機(jī)典型作業(yè)方式建立其工作裝置各組件的約束，主要約束如表1.

表1 裝載機(jī)工作裝置主要約束

根據(jù)裝載機(jī)典型作業(yè)情況，主要約束建立完成之后，用STEP5函數(shù)表達(dá)裝載機(jī)工作油缸的運動行為，用以驅(qū)動裝載機(jī)鏟斗的鏟裝工作。

轉(zhuǎn)斗油缸的運動規(guī)律如下：

動臂油缸的運動規(guī)律如下：

工作油缸的運動函數(shù)如圖2.

圖2 工作油缸運動函數(shù)

2.3 數(shù)據(jù)的導(dǎo)出

輸出裝載機(jī)鏟斗的X、Z方向上的速度與加速度，以及裝載機(jī)鏟斗Y方向上的角速度及角加速度曲線，以便作為離散元軟件EDEM[5]的原始數(shù)據(jù)輸入，如圖3（a），并把這些數(shù)據(jù)生成Excel表格且做相應(yīng)處理。

（續(xù)下圖）

（接上圖）

圖3 鏟斗上速度及加速度函數(shù)

3 離散元軟件的仿真分析

3.1 裝載機(jī)典型作業(yè)對象的參數(shù)標(biāo)定

材料屬性參數(shù)屬于材料自身的特性參數(shù)，和外界無關(guān)。可查得文中所用材料的固有屬性為：碎石—泊松比：0.29，剪切模量：1.11e+10 Pa，密度：2 090 kg/m3；鋼鐵—泊松比：0.28，剪切模量：7.8e+09 Pa，密度：7 800 kg/m3.

本文采用試驗與軟件相結(jié)合的方法測定了物料間及物料與設(shè)備間的材料基本接觸參數(shù)。

（1）碰撞恢復(fù)系數(shù)標(biāo)定：本文用無彈性（可以忽略彈性）的繩子連接巖石顆粒，將一巖石板與地面成90°放置，巖石顆粒初始位置與巖石板鉛直方向成60°，自由下放巖石顆粒，使得巖石顆粒法向方向正中巖石板，用相機(jī)拍攝慢動作功能抓拍巖石顆粒撞擊巖石板的過程，以巖石顆粒彈起時無旋轉(zhuǎn)和超過15°的橫向位移為一次有效值，記錄并計算巖石間的碰撞回復(fù)系數(shù)。根據(jù)動勢能相互轉(zhuǎn)換原理得：

式中，e為恢復(fù)系數(shù)；V01為碰撞后巖石顆粒的法向速度；V0為前碰撞巖石顆粒的法向速度；x為碰撞后繩子與鉛直方向所成的角度。

根據(jù)公式計算可得巖石之間的碰撞恢復(fù)系數(shù)e＝0.62，同理可得巖石和鐵板之間的碰撞恢復(fù)系數(shù)e＝0.42.

（2）安息角：散料在堆放時能夠保持自然穩(wěn)定狀態(tài)的最大角度（斜邊與水平面間夾角），是表征粒狀物行為的最重要宏觀參數(shù)之一。安息角的測量計算方法為a＝arctg（2H/D），其中a為自然安息角，H為穩(wěn)定料堆高度，D為料堆底部直徑。測取多組數(shù)據(jù)取平均值為 35.8°.

（3）滾動摩擦系數(shù)標(biāo)定：由相關(guān)文獻(xiàn)可知，巖石與巖石之間的滾動摩擦系數(shù)在0.1～0.21之間變化，巖石與鏟斗（鐵）之間的滾動摩擦系數(shù)在0.25～0.3之間變化。所以，鎖定設(shè)備與巖石物料的滾動摩擦系數(shù)取值為0.25與0.3；巖石之間的滾動摩擦系數(shù)取值為0.05，0.1，0.15，0.2，0.25.進(jìn)行排列組合可得 5 組數(shù)據(jù)，見表2.

表2 動摩擦系數(shù)

接著將這些參數(shù)輸入到EDEM軟件中，分別作無底圓筒落料仿真，對比生成的安息角，最終以5組數(shù)據(jù)中最接近實測安息角35.8°為準(zhǔn)。取巖石間的滾動摩擦系數(shù)為0.2，巖石與設(shè)備（鐵）之間的動摩擦系數(shù)為0.25.

3.2 作業(yè)對象的級配

對所用物料用網(wǎng)格尺寸分別為30 mm×30 mm、25 mm × 25 mm、20 mm × 20 mm、15 mm × 15 mm的鐵網(wǎng)對巖石物料的大小進(jìn)行篩選，30∶25∶20∶15 ＝ 1 ∶1.53 ∶3.30 ∶7.68（mm）.

然后對巖石物料進(jìn)行形狀特性的分類，并加以統(tǒng)計—角狀∶長條∶等徑方形∶片狀∶中間 ＝ 1.036 ∶1 ∶3.261∶1.275 ∶6.645.

3.3 相關(guān)參數(shù)的輸入與仿真

將所標(biāo)定的物料屬性輸入到離散元軟件的相應(yīng)位置，并將ADAMS軟件輸出的裝載機(jī)鏟斗的速度、加速度—時間數(shù)據(jù)輸入到離散元軟件的相應(yīng)位置進(jìn)行仿真。

3.4 數(shù)據(jù)的分析處理

輸出的鏟斗作業(yè)阻力如圖4所示，基本符合所屬型號裝載機(jī)的作業(yè)規(guī)格，可以作為一種阻力參考。

圖4 E D E M中鏟裝過程中鏟斗受力情況

4 結(jié)束語

本文借助ADAMS分析裝載機(jī)作業(yè)阻力及工作油缸受力，以輸出鏟斗在工作過程中的速度、加速度—時間曲線作為離散元分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；同時，采用試驗的方法測定裝載機(jī)典型作業(yè)對象（碎石）的特性參數(shù)，基于上述研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用離散元分析軟件EDEM完成了裝載機(jī)鏟斗作業(yè)過程的仿真分析。對所獲取的作業(yè)阻力進(jìn)行分析研究得出，本文所提方法可為裝載機(jī)鏟裝作業(yè)分析提供一種新的計算方法，同時該研究也可為確定提升裝載機(jī)性能提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。