大型礦用挖掘機挖掘阻力分析及鏟斗結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王喆 鄧銳

摘要：大型礦用挖掘機的工作過程實際上就是挖掘機的鏟斗部分與被挖掘物料間相互作用的過程，鏟斗的結(jié)構(gòu)及狀態(tài)直接影響到挖掘機整機所受的載荷。目前鏟斗存在著阻力大、沖擊大、滿斗率低等問題，大大的限制了挖掘機的工作效率。通過對WK-55大型礦用挖掘機鏟斗的三維建模，運用EDEM軟件對其進行離散元仿真分析。研究了不同物料參數(shù)對大型礦用挖掘機挖掘阻力的影響。為提高大型礦用挖掘機的工作效率，對斗齒結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。挖掘阻力優(yōu)化前的峰值為15.82kN，而優(yōu)化后的峰值為14.26kN，降低了9.86%。挖掘質(zhì)量優(yōu)化前的峰值為30.07kg，而優(yōu)化后的峰值為50.02kg，提高了66.35%。結(jié)果表明，經(jīng)過優(yōu)化的大型礦用挖掘鏟斗結(jié)構(gòu)更加合理。

Abstract： The working process of a large mining excavator is actually the interaction between the bucket part of the excavator and the excavated material. The structure and state of the bucket directly affect the loads of the excavator. At present， problems such as high resistance， high impact and low rate of full bucket exist in bucket， greatly limit the working efficiency of excavator. Through 3D modeling of WK-55 large mining excavator bucket， the discrete element simulation analysis is carried out by EDEM software. The influence of different material parameters on excavation resistance of large mining excavators is studied. In order to improve the working efficiency of large mining excavators， the bucket teeth structure is optimized. The peak value before optimization of excavation resistance is 15.82kN， while the peak value after optimization is 14.26kN， which is reduced by 9.86%. The peak value before optimization of excavation quality is 30.07kg， while the peak value after optimization is 50.02kg， which is increased by 66.35%. The results show that the optimized structure of large mining excavator bucket is more reasonable.

關(guān)鍵詞：礦用挖掘機;鏟斗結(jié)構(gòu);離散元法;挖掘阻力

Key words： mining excavator;bucket structure;discrete element method;excavating resistance

中圖分類號：TD422.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）23-0143-06

0? 引言

大型礦用挖掘機是礦場工作必不可少的工作設(shè)備[1，2]。鏟斗作為挖掘機重要的組成部件，承載著挖掘物料的作用。鏟斗在工作時受力復(fù)雜，結(jié)構(gòu)安全是其設(shè)計時優(yōu)先考慮的問題。目前對鏟斗結(jié)構(gòu)的設(shè)計一般是在某些工況下將鏟斗視作一個單獨個體進行考慮，然后在離散元軟件中進行仿真模擬和在有限元軟件中進行計算分析[3，4]。這種計算方法忽略了具體鏟斗結(jié)構(gòu)，只保留了部分工作部件。本文以WK-55型大型礦用挖掘機的鏟斗為研究對象，擬在有離散元仿真的基礎(chǔ)上，利用EDEM軟件進行仿真。分析鏟斗在不同情況下所受到的挖掘阻力變化，為鏟斗結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。

1? 鏟斗三維設(shè)計

大型礦用挖掘機的鏟斗結(jié)構(gòu)與普通液壓挖掘機的鏟斗結(jié)構(gòu)有著很大的區(qū)別，因為它們工作環(huán)境的不同，挖掘物料有著很大的差別，所以結(jié)構(gòu)上有著很大的區(qū)別。大型礦用挖掘機的鏟斗主要由斗壁、斗齒、斗唇和斗底等部分組成。實際中的鏟斗結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，零部件大約有500個。以WK-55型大型礦用挖掘機的鏟斗為研究對象，其結(jié)構(gòu)的部分參數(shù)如表1所示。

以表1中的結(jié)構(gòu)參數(shù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用UG軟件對WK-55型礦用挖掘機的鏟斗進行三維建模。為了提高仿真效率，將相關(guān)尺寸縮小1000倍。鏟斗的三維模型如圖1所示。

2? 離散元仿真接觸模型

顆粒接觸模型是離散元仿真的重要基礎(chǔ)，是準靜態(tài)下接觸力學(xué)彈塑性的分析結(jié)果[5]。EDEM軟件中有各種情況下的顆粒接觸模型，利用不同的算法模擬出各種條件下的顆粒碰撞，能夠有效的模擬出需要的碰撞條件。離散元仿真模擬的就是顆粒的碰撞，根據(jù)顆粒接觸方式的不同，在離散元仿真中有硬顆粒接觸和軟顆粒接觸兩種。硬顆粒接觸是假設(shè)顆粒表面受力比較小時，顆粒之間不發(fā)生明顯的形狀變化，而且它們的碰撞是在瞬間發(fā)生的。它只考慮兩個顆粒之間的碰撞，不考慮多個顆粒之間的碰撞。軟顆粒接觸是離散元仿真中最常用的接觸模型，它是當顆粒之間發(fā)生碰撞時產(chǎn)生變形，而且顆粒之間會發(fā)生重疊，在重疊部分有著大量的相互作用力。軟顆粒模型擁有著大量的接觸模型，而且在模擬數(shù)目龐大的仿真系統(tǒng)中，必須要用到它。

大型礦用挖掘機在挖掘過程中涉及的顆粒較多，而且顆粒之間會發(fā)生大量碰撞，故選用軟顆粒接觸模型。該模型在顆粒間設(shè)定了耦合器、滑動器、阻尼器和彈簧等。如果在切向上切向力大于屈服值，滑動器在法向力和摩擦力作用下實現(xiàn)兩顆粒滑動。耦合器不引入任何力，用來確定發(fā)生接觸的顆粒配對關(guān)系。軟顆粒接觸模型引入阻尼系數(shù)和彈性系數(shù)等參數(shù)來量化阻尼器、滑動器、彈簧的作用，如圖2所示。

Hertz-Mindlin離散元接觸模型是經(jīng)典的非線性接觸模型，適用大部分的工程仿真[6]。它能夠反映出巖石與巖石之間，巖石與鏟斗之間的碰撞特征，故在進行大型礦用挖掘機的挖掘過程仿真中選取Hertz-Mindlin模型。該模型的計算方法為：假設(shè)兩球形顆粒的半徑分別為R1和R2，則這兩球形顆粒發(fā)生碰撞時，其接觸的法向重疊量為

顆粒之間的接觸面是圓形，可以得出其接觸半徑為

3? 離散元仿真分析

3.1 離散元仿真模型建立

大型礦用挖掘機的鏟斗材料采用Q460E鋼。它的作業(yè)對象是巖石及其它土壤，其物理參數(shù)如表2所示。挖掘過程實際上就是挖掘機的鏟斗與挖掘物料顆粒之間相互作用的過程，其接觸參數(shù)如表3所示。

根據(jù)表2和表3的相關(guān)參數(shù)在EDEM軟件中建立的挖掘過程仿真模型如圖3所示。

3.2 物料參數(shù)對挖掘阻力的影響

顆粒密度對于挖掘機的工作效率有很大的影響。由于土槽容積和鏟斗容積是一定的，有必要研究顆粒密度對挖掘阻力的影響。在保持其它參數(shù)不變的情況下，分別取顆粒密度為1000kg/m3、1500kg/m3、2000kg/m3、2500kg/m3、3000kg/m3，對挖掘機的挖掘過程進行離散元仿真分析，其顆粒密度對挖掘阻力的影響如圖4所示。由圖4可知，挖掘阻力隨著顆粒密度的增大而大幅度的上升，挖掘阻力的最大值分別為1069N、1602N、2179N、2786N、3432N，幾乎是呈線性分布，由此得知顆粒密度對挖掘阻力的影響是顯著的。這是因為物料的顆粒密度影響著物料重量，增大了物料之間的壓力。

剪切模量是巖石的重要物理參數(shù)，為闡明其對挖掘機挖掘過程的具體影響，在EDEM軟件中進行了仿真分析。彈性模量的范圍大致為3GPa到50GPa，泊松比范圍為0.12到0.35，所以剪切模量的范圍確定為2.5GPa到4GPa。在保持其它參數(shù)不變的情況下，分別取剪切模量為3GPa、3.2GPa、3.4GPa、3.6GPa、3.8GPa，對挖掘過程進行離散元仿真分析，其剪切模量對挖掘阻力的影響如圖5所示。由圖5可知，剪切模量對挖掘阻力具有一定的影響，挖掘阻力的最大值分別為3126N、3072N、3202N、3925N和4695N。在剪切模量增大的開始階段，挖掘阻力變化不是特別明顯，但隨著剪切模量繼續(xù)增大，挖掘阻力顯著增加。在仿真過程中發(fā)現(xiàn)，隨著剪切模量的增加，仿真時間會越長。

摩擦系數(shù)對于挖掘過程也有影響，因為鏟斗會和物料顆粒產(chǎn)生巨大的摩擦力，而摩擦系數(shù)對于摩擦力有著巨大的影響，因此有必要研究摩擦系數(shù)對于挖掘工作的影響。摩擦系數(shù)分為靜摩擦系數(shù)和動摩擦系數(shù)，先研究靜摩擦系數(shù)對于挖掘工作的影響。巖石的靜摩擦系數(shù)一般在0.5到1之間。在保持其它參數(shù)不變的情況下，分別取靜摩擦系數(shù)為0.3、0.5、0.7、0.9、1.1，對挖掘過程進行離散元仿真分析，其靜摩擦系數(shù)對挖掘阻力的影響如圖6所示。由圖6可知，靜摩擦系數(shù)的改變對于挖掘阻力有一定的影響，挖掘阻力的最大值分別為1592N、1798N、1992N、2231N和2678N，挖掘阻力隨著靜摩擦系數(shù)的增加而增加。

為了研究動摩擦系數(shù)對于挖掘阻力的影響，查閱相關(guān)文獻可知，動摩擦系數(shù)一般大于0.1。在保持其它參數(shù)不變的情況下，分別取動摩擦系數(shù)為0.1、0.15、0.2、0.25、0.3，對挖掘過程進行離散元仿真分析，其動摩擦系數(shù)對挖掘阻力的影響如圖7所示。由圖7可知，動摩擦系數(shù)的改變對于挖掘阻力的影響不明顯。隨著動摩擦系數(shù)的增長，挖掘阻力的峰值卻有上有下，結(jié)合物料顆粒隨機分布的情況，說明了動摩擦系數(shù)對于顆粒之間的連接性不是很強，對挖掘阻力的影響不是很大。

由于巖石顆粒在雨雪天氣下會發(fā)生粘結(jié)現(xiàn)象，因此需要進一步研究顆粒表面能對挖掘阻力的影響。這里選用Hertz-Mindlin with JKR模型，該模型考慮到接觸區(qū)中的范德華力，其理論計算公式為[7，8]

物料顆粒表面能尚無統(tǒng)一標準，在保持其它參數(shù)不變的情況下，根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗分別取顆粒表面能為100、200、300、400、500，對挖掘過程進行離散元仿真分析，顆粒表面能對挖掘阻力的影響如圖8所示。由圖8可知，顆粒表面能對于鏟斗的挖掘阻力的影響并不是特別明顯，因為顆粒表面能影響的是分子間的化學(xué)鍵，對于顆粒之間的吸引或者排斥并沒有影響。而且實際的顆粒表面能比較小，因此可以忽略顆粒表面能對挖掘阻力的影響。

綜上所述，物料屬性對大型礦用挖掘機的挖掘阻力存在一定影響。物料屬性屬于大型礦用挖掘機作業(yè)對象的固有屬性，是無法改變的，為提高大型礦用挖掘機的工作效率，需要從鏟斗結(jié)構(gòu)設(shè)計方面考慮。

4? 鏟斗結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

4.1 鏟斗優(yōu)化模型

鏟斗結(jié)構(gòu)對于大型礦用挖掘機有非常重要的作用，它影響著挖掘機的工作效率。在使用EDEM軟件對挖掘過程進行離散元分析中發(fā)現(xiàn)，大型礦用挖掘機在挖掘過程中的最大挖掘阻力出現(xiàn)在第6s時，其應(yīng)力云圖如圖9所示。

由圖9可知，應(yīng)力最大值部分出現(xiàn)在斗壁和斗齒。由于斗壁表面有筋板和肋板加強，不容易失效，這里不對其進行分析。斗齒受力大，且直接與物料接觸，容易發(fā)生斷裂等失效形式，故需對斗齒部分進行分析，并進行優(yōu)化設(shè)計。將斗齒受力分為兩個部分，其中向上的力為7.2×105N，抗壓作用力為2.19×106N，應(yīng)用UG軟件對鏟斗結(jié)構(gòu)進行有限元分析[9-11]，斗齒載荷圖和應(yīng)力云圖分別如圖10和圖11所示。

斗齒的屈服極限為460MPa，許用應(yīng)力表達式為[12，13]

式中：n為安全系數(shù)，安全系數(shù)的取值范圍一般為1.5到2。

安全系數(shù)取值為2，則許用應(yīng)力為230MPa。由圖11可知，斗齒的最大應(yīng)力為286MPa，已經(jīng)超過材料的許用應(yīng)力值，容易發(fā)生斷裂現(xiàn)象，所以必須對大型礦用挖掘機的斗齒結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。在保證鏟斗斗容滿足標準體積范圍內(nèi)，對鏟斗結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計[14，15]，優(yōu)化前后的相關(guān)參數(shù)值如表4所示。

根據(jù)表4中優(yōu)化后的鏟斗結(jié)構(gòu)參數(shù)，在保證斗齒斗尖系數(shù)不變的情況下，將斗齒受力最大的部分加厚5mm，然后對其進行有限元分析。優(yōu)化后的斗齒應(yīng)力云圖和鏟斗結(jié)構(gòu)圖分別如圖12和圖13所示。由圖12可知，斗齒的最大應(yīng)力為184MPa，滿足材料的許用應(yīng)力值。

4.2 離散元仿真對比分析

為了驗證優(yōu)化模型的正確性，將其與原模型進行對比分析。在保證挖掘軌跡和其它相關(guān)參數(shù)一致的情況下，使用EDEM軟件對優(yōu)化前后的大型礦用挖掘機的挖掘過程進行仿真模擬，優(yōu)化前后的鏟斗受力云圖如圖14和圖15所示。由圖14和圖15對比分析可知，大型礦用挖掘機鏟斗的受力峰值優(yōu)化后較優(yōu)化前有所減小，驗證了優(yōu)化模型的正確性。

優(yōu)化前后挖掘機的挖掘阻力變化曲線如圖16所示。由圖16可知，優(yōu)化前的挖掘阻力峰值為15.82kN，而優(yōu)化后的挖掘阻力峰值為14.26kN，降低了9.86%。優(yōu)化后的挖掘阻力峰值相對優(yōu)化前的挖掘阻力峰值小，從而驗證了優(yōu)化模型的有效性。優(yōu)化前后挖掘機的挖掘質(zhì)量如圖17所示。由圖17可知，優(yōu)化前的挖掘質(zhì)量峰值為30.07kg，而優(yōu)化后的挖掘質(zhì)量峰值為50.02kg，提高了66.35%。優(yōu)化后的挖掘質(zhì)量遠大于優(yōu)化前的挖掘質(zhì)量。

綜上所述可知，優(yōu)化后的鏟斗結(jié)構(gòu)在挖掘阻力和挖掘質(zhì)量性能方面均優(yōu)于優(yōu)化前的鏟斗結(jié)構(gòu)。經(jīng)過優(yōu)化的大型礦用挖掘鏟斗結(jié)構(gòu)更加合理。

5? 結(jié)論

通過對WK-55大型礦用挖掘機鏟斗的三維建模，運用EDEM軟件對其進行離散元仿真分析。研究了不同物料參數(shù)對大型礦用挖掘機挖掘阻力的影響。挖掘阻力隨著顆粒密度的增大而大幅度的上升，幾乎是程線性分布。剪切模量對挖掘阻力具有一定的影響，在剪切模量增大的開始階段，挖掘阻力變化不是特別明顯，但隨著剪切模量繼續(xù)增大，挖掘阻力顯著增加。挖掘阻力隨著靜摩擦系數(shù)的增加而增加。

為提高大型礦用挖掘機的工作效率，對斗齒結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。在保證挖掘軌跡和其它相關(guān)參數(shù)一致的情況下，使用EDEM軟件對優(yōu)化前后的大型礦用挖掘機的挖掘過程進行了仿真分析。挖掘阻力優(yōu)化前的峰值為15.82kN，而優(yōu)化后的峰值為14.26kN，降低了9.86%。挖掘質(zhì)量優(yōu)化前的峰值為30.07kg，而優(yōu)化后的峰值為50.02kg，提高了66.35%。經(jīng)過優(yōu)化的大型礦用挖掘鏟斗結(jié)構(gòu)更加合理。

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