基于離散單元法的自移式破碎站鏟斗卸料沖擊分析

李 洪，王勇澎，王國強，李學飛，毛 瑞(.太原重工技術中心，山西 太原 03004；.吉林大學機械學院，吉林 長春 300)

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基于離散單元法的自移式破碎站鏟斗卸料沖擊分析

李 洪1，王勇澎1，王國強2，李學飛2，毛 瑞1
(1.太原重工技術中心，山西 太原 030024；2.吉林大學機械學院，吉林 長春 130022)

研究自移式破碎站在作業過程中物料從鏟斗下落時對料斗和板式給料機的沖擊，并準確計算其沖擊力，根據離散元方法，采用離散元分析軟件EDEM，通過建立與實際作業條件相似的物料-鏟斗-受料斗-輸送機的離散元模型，對物料下落及碰撞過程進行動態仿真，從而得到料斗的受力發布，為設計人員對料斗的結構設計提供理論指導。

自移式破碎站；沖擊力；離散單元法；EDEM

自移式破碎站在作業過程中，鏟斗落料沖擊是一個瞬時發生的過程，并且伴隨著巨大的能量變化，沖擊過程也往往伴隨著破壞的產生，被沖擊物體多數要被破壞，料斗各部位受力不確定。物料由連續介質變成了非連續介質，難于利用有限元法和實驗等進行研究。

顆粒物料的運動除與本身力學性質有關外，還與相關機械部件的結構形狀、尺寸參數和運動方式等有關，必須同時考慮機械部件與顆粒物料的相互作用及其動力學問題。在離散元法中，系統由許多獨立的顆粒組成，這些顆粒的運動和位移都被單獨模擬，十分適合用于模擬離散問題。離散元法為我們研究鏟斗落料沖擊現象提供了一個有力的工具。

EDEM是基于離散元法的通用CAE分析軟件，可用于對工業生產中顆粒處理和操作系統進行模擬和分析。

1 建立物料-鏟斗-受料斗-輸送機的離散元模型

利用EDEM進行離散元仿真與分析的基本步驟見圖1。其中，仿真模型的建立是進行離散元仿真分析的基礎，模型的好壞直接影響仿真結果的準確性。

圖1 離散元仿真分析的步驟

1.1 接觸模型及參數的選取

在EDEM仿真模型中需要設置鏟斗、受料斗、板式給料機和巖石的物理屬性以及它們之間相互作用屬性，涉及的參數主要包括密度、泊松比、剪切模量、恢復系數及摩擦系數等。

研究過程中顆粒選用泥灰巖，查閱相關文獻，其密度為2200kg/m3，泊松比為0.35，剪切模量為1850MPa。巖石與巖石之間、巖石與鏟斗之間的接觸參數設置見表1。

1.2 顆粒模型的建立

在離散元仿真中，為了更準確地模擬卸料沖擊過程，要求使用的顆粒形狀、顆粒大小及分布與實際的物料具有相似性。

為了便于仿真，將爆破后的礦石分為八種不同直徑的顆粒，其大小及分布見表2。

1.3 幾何體的定義

離散元模型中幾何體模型包括挖掘機鏟斗，受料斗和板式輸送機三部分。由于模型比較復雜，采用在UG中建立，然后導入EDEM中。在導入幾何模型之前，為提高求解速度，對于板式輸送機、鏟斗和料斗等結構進行模型簡化，刪除不影響分析結果的結構，并忽略各處的倒圓角和倒角。根據實際工作需要調整鏟斗底部到受料斗的距離為3.5m。

表1 接觸參數

表2 鏟斗中的顆粒大小及分布

物料對受料斗的沖擊力與鏟斗的開斗運動有一定關系，挖掘機鏟斗實際作業過程見圖2，斗門的開斗運動是變加速運動，而EDEM軟件只能提供單向的勻變速運動，因此需要將鏟斗的運動進行簡化。斗底開啟到最大角度80°時的時間為2s，這個過程可以近似看做斗底勻速轉動，轉動速度為0.697rad/s。

1.4 創建顆粒工廠

顆粒工廠用于定義仿真中顆粒產生的位置、時間及方式，一個仿真模型中可以有多個顆粒工廠。經反復試驗，本仿真的顆粒工廠按表3的方式設置，可以保證礦石顆粒的分布與實際相符，而且所需仿真時間較短。

圖2 簡化模型及導入

表3 顆粒工廠的設置

圖3 受料斗及板式給料機組成件標記

1.5 仿真計算

本研究的主要目的是提取鏟斗卸料沖擊過程中受料斗側壁以及板式給料機鏈板上的受力，為了便于后面的分析，這里對受料斗上的每一個結構板進行標記，分別標記為1～10。由于板式給料機鏈板數目較多，在分析受力時每五個鏈板分為一組，第一組標記為A1，以此類推，見圖3。

完成仿真區域、時間及網格的設置以后即可開始仿真計算。當鏟斗中的顆粒生成完之后，鏟斗斗底打開，顆粒物料在重力場的作用下自由下落。

2 離散元仿真結果分析

仿真結束后，分別提取受料斗上每一個結構板上以及板式給料機每一個鏈板上的受力，當鏟斗中的物料全部落入到料斗中后，所有物料由A1～A4四組鏈板承受，因此，這里只提取A1～A4四組鏈板的受力，見圖4。從圖4中可以看出，當物料在下落過程中對鏈板造成很大的沖擊力，最大沖擊力超過800kN。從圖3中可以看出，A1組和A2組鏈板上的物料多于A3組和A4組鏈板上的物料，因此，受力也大于A3和A4組鏈板上的受力。

圖5所示為受料斗各組成塊的受力，從圖5中可以看出，當物料在下落過程中第2塊板的受力最大，最大沖擊力超過1500kN。由于結構對稱，所以在提取力時只提取了板3、板5、板7和板9的受力。

3 總 結

本研究從顆粒物質的角度，利用離散單元法，對挖掘機滿斗物料的卸料過程進行仿真模擬，對鏟斗卸料過程進行沖擊分析。通過離散元仿真，提取了兩種工況下受料斗以及板式給料機的受力，并對得到的數據進行擬合處理，得到的擬合曲線可以在鋼結構的動態有限元分析和整機的動態穩定性分析中直接進行加載。

圖4 下板式給料機鏈板受力

圖5 下受料斗各組成板的受力

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報告顯示：7月有色產業繼續平穩運行

近日發布的中經有色金屬產業月度景氣指數報告稱，監測結果顯示，2015年7月有色金屬產業景氣指數在“偏冷”區間運行。有色行業整體趨弱，但仍顯示平穩運行態勢。

報告顯示，2015年7月，中經有色金屬產業景氣指數顯示為22.5，較上月微升0.1點，景氣指數已連續5個月微幅回升，目前在“偏冷”區間平穩運行。2015年7月中經有色金屬產業先行指數為61.5，較上月回落0.6個百分點，自4月份以來先行指數逐月回落。

報告預測，有色金屬產業運行環境有所改善，有望繼續平穩運行。一是從國際經濟環境看，全球經濟有望維持緩慢復蘇態勢。二是國家陸續出臺的一系列穩增長政策的效果將會逐步顯現，流動性約束有望有所緩解。隨著長江經濟帶、京津冀一體化等一系列重大戰略決策的實施，有利于拉動有色金屬的需求。三是制約有色金屬生產的原材料、電力供應及運輸環境較為寬松，有利于有色金屬企業維持正常生產。四是高技術含量、高附加值的深加工產品及新材料生產和需求將保持較快增長。

Analysis of the impact on mobile crushing station when bucket discharging based on discrete element method

LI Hong1，WANG Yong-peng1，WANG Guo-qiang2，LI Xue-fei2，MAO Rui1

(1.Technology Center of Taiyuan Heavy Industry Co.，Ltd.，Taiyuan 030024，China；2.School of Mechanical Engineering，Jilin University，Changchun 130022，China)

Based on discrete element method and by using EDEM (a discrete element analysis software)，the impact on the mobile crushing station hopper and conveyor in process of the material falling from the bucket is studied，and the impact force is calculated.After establishing the material - bucket - hopper - conveyor discrete element model，the discharge process is dynamic simulated，then the stress distribution of hopper is calculated.This research can provide theoretical guidance for the hopper’s design.

mobile crushing station；impact force；discrete element method；EDEM

2015-05-20

李洪(1980-)，碩士研究生，主要從事礦山機械設計工作。

TD63

A

1004-4051(2015)09-0145-04