裝載機(jī)鏟斗結(jié)構(gòu)參數(shù)分析與研究

席亞麗，徐武彬，李 冰，邵 來

（廣西科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 柳州 545616）

0 引言

如今在節(jié)能減排的大趨勢下，裝載機(jī)節(jié)能問題極其重要，并且能耗與鏟裝階段作業(yè)阻力的變化密切相關(guān)，裝載機(jī)的鏟裝作業(yè)阻力又是裝載機(jī)整體性能的一個重要評價數(shù)據(jù)，所以裝載機(jī)鏟裝作業(yè)阻力的研究備受人們的關(guān)注。

目前有很多學(xué)者對作業(yè)阻力做了相關(guān)的研究，前蘇聯(lián)相關(guān)實(shí)驗(yàn)室根據(jù)單斗的試驗(yàn)，歸納出了作業(yè)阻力由多個系數(shù)共同決定的計(jì)算公式F=KBL61.25，L6表示鏟斗插入料堆的深度，B表示鏟斗寬度，經(jīng)過大量試驗(yàn)K=K1K2K3K4，影響系數(shù)可根據(jù)情況查表取值。而對于鏟斗斗形結(jié)構(gòu)對于鏟斗在工作中受到的作業(yè)阻力的影響以及在改變了機(jī)構(gòu)后作業(yè)阻力的變化對鏟斗性能的影響，以及作業(yè)阻力變化規(guī)律并沒有完善的研究及明確的結(jié)論。究其原因主要是在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時對鏟斗設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇不夠合理，目前有關(guān)鏟斗的設(shè)計(jì)仍處在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與模擬階段[1]，對鏟斗斗型參數(shù)對鏟斗性能的影響機(jī)理研究不夠系統(tǒng)深入。最早研究者大都根據(jù)“回轉(zhuǎn)半徑法”對鏟斗斗形進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]，把回轉(zhuǎn)半徑作為主要的斗形設(shè)計(jì)參數(shù)，用相關(guān)的斗形系數(shù)確定鏟斗幾何形狀；而后劉述學(xué)等的研究[3]表明回轉(zhuǎn)半徑不是主要的斗形設(shè)計(jì)參數(shù)，其受鏟斗其它結(jié)構(gòu)參數(shù)影響；張維良等在此基礎(chǔ)上提出“四參數(shù)法”[4]，通過四個主要參數(shù)對鏟斗進(jìn)行設(shè)計(jì)，優(yōu)點(diǎn)在于減少了經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的使用，簡化了計(jì)算過程。

本文針對上面的問題運(yùn)用離散元與多體動力學(xué)耦合的方法，基于四參數(shù)法設(shè)計(jì)鏟斗模型，得到裝載機(jī)不同參數(shù)鏟斗結(jié)構(gòu)在鏟裝過程中作業(yè)阻力的變化，從而對比較優(yōu)的鏟斗參數(shù)，為鏟斗的設(shè)計(jì)提供幫助。

1 鏟斗截面形狀的設(shè)計(jì)參數(shù)

裝載機(jī)鏟斗一般是包括前刃板、側(cè)刃板、后壁、斗底壁、側(cè)壁、擋板以及鉸接耳板等。通常情況下，鏟斗的形狀用其截面形狀來表征，如圖1 所示[1]。各結(jié)構(gòu)參數(shù)的符號及其物理意義如表1 所示。

圖1 鏟斗斗形參數(shù)示意圖

表1 鏟斗斗形主要參數(shù)的符號

常見裝載機(jī)鏟斗橫截面形狀的設(shè)計(jì)可分為兩種[4]：一種是回轉(zhuǎn)半徑法，即以回轉(zhuǎn)半徑Ro 為參照，其他鏟斗尺寸都用R0乘以一個系數(shù)的方式來表示。但是該方法設(shè)計(jì)存在的問題：（1）R0并不屬于鏟斗結(jié)構(gòu)自身參數(shù)，只是為了設(shè)計(jì)定義的一個輔助尺寸；（2）設(shè)計(jì)時出現(xiàn)過多的用于調(diào)整各參數(shù)的比例系數(shù)（系數(shù)過多時就無法分析參數(shù)與鏟斗幾何形狀之間的直接關(guān)系）；（3）在很多實(shí)例中表明通過該方法設(shè)計(jì)的鏟斗參數(shù)存在矛盾，需要進(jìn)行驗(yàn)證和修正。另一種是（基本的）利用四參數(shù)法來確定鏟斗的幾何形狀，四參數(shù)分別指斗張角EO、側(cè)刃角E1、斗底長度與斗底半徑的比值即底弧比D、擋板高度與斗底半徑的比值即擋板高度系數(shù)G四個參數(shù)。四參數(shù)法與回轉(zhuǎn)半徑法相比，四參數(shù)法是用參數(shù)之間的比值對斗“形”進(jìn)行描述，盡量減少經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的使用，計(jì)算過程大大簡化，可以更加直接的研究鏟斗結(jié)構(gòu)參數(shù)與作業(yè)阻力之間的關(guān)系。

本研究先以實(shí)際模型分析了不同參數(shù)的影響情況，后針對1.2 t（模型縮小4.5 倍）裝載機(jī)鏟斗進(jìn)行研究，選擇擋板高度系數(shù)，側(cè)刃傾角，斗張角，底弧比四個因素，運(yùn)用正交設(shè)計(jì)法（表2）制定了鏟斗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案共有9組鏟斗模型，見表3。

表2 因素水平表

表3 方案設(shè)計(jì)

2 離散元仿真模型的建立

2.1 碎石物料模型的建立及料堆的生成

由于接觸模型中接觸力的計(jì)算需要對顆粒之間、顆粒與設(shè)備體之間的靜摩擦系數(shù)、滾動摩擦系數(shù)、碰撞恢復(fù)系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行定義，并且參數(shù)定義越精準(zhǔn)，仿真計(jì)算的精度越高。為此課題組自制了靜摩擦系數(shù)測量裝置、滾動摩擦系數(shù)測量裝置、碰撞恢復(fù)系數(shù)測量裝置，對實(shí)際作業(yè)對象中碎石與碎石、碎石與鋼板之間的接觸參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，測量數(shù)據(jù)見表4[5]。

表4 碎石和鏟斗的物性參數(shù)

為了使數(shù)值在模擬分析中，物料模型更接近實(shí)際模型，對實(shí)際作業(yè)物料堆中碎石物料進(jìn)行歸類研究，選取物料堆中最常見的三種形狀碎石，如圖2 所示。采用逆向工程原理，使用HandySCAN700 三維激光掃描儀獲取3 種形狀碎石的外表面輪廓，然后在EDEM 中進(jìn)行填充，課題組做了相關(guān)的仿真和試驗(yàn)對比，模型的準(zhǔn)確性得到了驗(yàn)證[5]。

圖2 碎石不同形狀物料模型

目前，使物料在下落過程成自然安息角的方法有圓桶式測量法、旋轉(zhuǎn)式測量法、載壓式測量法、塌落式測量法和圓盤式測量法[6]，本研究采用圓桶測量法進(jìn)行落料仿真模擬如圖3 所示。

圖3 圓筒法測量安息角模型

2.2 基于顆粒-結(jié)構(gòu)動力學(xué)耦合方法進(jìn)行鏟斗運(yùn)動仿真

2.2.1 三維模型的建立

針對某企業(yè)1.2 t 的裝載機(jī)，基于四參數(shù)法設(shè)計(jì)鏟斗仿真模型，對該模型進(jìn)行簡化（縮小4.5 倍），首先利用三維軟件solidworks 繪制三維模型，保存為adams 識別的.x_t 文件格式，導(dǎo)入到adams 中，然后并根據(jù)實(shí)際情況，在adams 中輸入油缸的運(yùn)動參數(shù)，并與edem 進(jìn)行耦合，實(shí)現(xiàn)顆粒與鏟斗相互作用過程中力和位移的數(shù)據(jù)傳遞，如圖4 所示。

圖4 模型導(dǎo)入adams 中的數(shù)據(jù)傳輸

2.2.2 油缸運(yùn)動規(guī)律

根據(jù)裝載機(jī)典型工作狀況，用STEP 函數(shù)來表達(dá)裝載機(jī)工作油缸的運(yùn)動，具體運(yùn)動規(guī)律如下。

舉升油缸運(yùn)動規(guī)律：

STEP（time，6.9，0，7.0，0.005）+STEP （time，14.3，0，14.4，-0.005）

轉(zhuǎn)斗油缸運(yùn)動規(guī)律：

-STEP（?time，2，0，2.1，0.005）-STEP （time，6.8，0，6.9，-0.005）

工作油缸運(yùn)動規(guī)律圖如圖5。

圖5 工作油缸運(yùn)動規(guī)律圖

3 仿真結(jié)果與分析

在根據(jù)實(shí)際情況對運(yùn)用控制變量法對4 個參數(shù)的影響大小進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，隨后對運(yùn)用正交設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)的9 個鏟斗（1.2 t 鏟斗縮小4.5 倍）進(jìn)行仿真，以作業(yè)阻力最小為目標(biāo)，得到較好的鏟斗結(jié)構(gòu)。

3.1 單因素仿真結(jié)果分析

作業(yè)阻力作為裝載機(jī)鏟斗設(shè)計(jì)好壞的重要評價指標(biāo)，鏟斗的各個參數(shù)都會對作業(yè)阻力產(chǎn)生影響，根據(jù)實(shí)際情況，對鏟斗的擋板高度系數(shù)，底弧比，側(cè)刃傾角，斗張角，四個因素進(jìn)行分析，各參數(shù)變動對作業(yè)阻力的大小變化如圖6 所示。

圖6 參數(shù)對作業(yè)阻力的影響

從上圖作業(yè)阻力的波動情況可以看出底弧比變化時，最大作業(yè)阻力變化幅度較大，而擋板高度系數(shù)與斗張角變化時，作業(yè)阻力變化較小，所以底弧比對作業(yè)阻力的影響是最大的，其次是側(cè)刃傾角，而擋板高度系數(shù)與斗張角相對較小。

3.2 多因素仿真結(jié)果分析

基于顆粒-結(jié)構(gòu)動力學(xué)耦合方法，實(shí)現(xiàn)了adams 中運(yùn)動參數(shù)向edem 中傳輸以及顆粒與鏟斗相互作用過程中力和位移的數(shù)據(jù)傳遞及鏟斗運(yùn)動的可視化。最后運(yùn)用edem 后處理模塊輸出裝載機(jī)在鏟裝過程中不同結(jié)構(gòu)鏟斗所受的作業(yè)阻力。通過最終得到的作業(yè)阻力對比圖，如圖7 所示。

圖7 不同參數(shù)鏟斗作業(yè)阻力對比圖

由圖7 可以看出，作業(yè)阻力快速增加到最大作業(yè)阻力，后緩慢下降，符合日常的鏟裝規(guī)律，在插入階段不斷增加，轉(zhuǎn)斗達(dá)到最大，開始離開料堆作業(yè)阻力逐漸下降，9 個斗可以看到8 號斗的作業(yè)阻力最小，參數(shù)分別為斗張角43°，側(cè)刃傾角60°，底弧比1.8 ，擋板高度系數(shù)0.35，其結(jié)構(gòu)較優(yōu)，功耗較小。

4 結(jié)束語

本研究運(yùn)用離散元與多體動力學(xué)耦合的方法，先根據(jù)實(shí)際情況分析了不同參數(shù)的影響情況，得到底弧比對作業(yè)阻力的影響是最大的，其次是側(cè)刃傾角，而擋板高度系數(shù)與斗張角相對較小，隨后針對運(yùn)用正交設(shè)計(jì)法對不同參數(shù)的鏟斗結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真，以鏟斗所受的作業(yè)阻力小為目標(biāo)，得到功耗較小的鏟斗，結(jié)果表明8 號鏟斗及截面參數(shù)為最優(yōu)，即斗張角43°，側(cè)刃傾角60°，底弧比1.8 ，擋板高度系數(shù)0.35，為裝載機(jī)鏟斗的設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。