裝載機鏟斗鏟裝阻力的離散單元法研究

李茹 徐武彬 李冰 楊旭

摘 要：為了研究不同因素對裝載機鏟斗鏟裝阻力的影響，在UG軟件中建立了鏟斗的三維模型，使用ATOS Compact Scan 2M三維光學掃描系統獲取了物料的點云數據，通過數據的處理和仿真參數的設置，在EDEM軟件中建立了鏟掘工況的鏟裝模型，并用實驗和仿真對比的方法驗證了模型的準確性；其后進行了鏟裝過程仿真，具體分析了鏟斗不同部位在鏟裝過程的不同階段的鏟裝阻力，找出了鏟裝阻力峰值所處的部位及其所在的階段；然后選取對鏟裝阻力影響較大的4個因素，采用正交模擬分析方法和極差法分析了這些因素對該阻力峰值部位受力的影響，得出影響因素大小依次為粒徑、斗寬、插入速度、顆粒形狀，為以后節能減耗為目標的新式鏟斗設計和鏟裝軌跡優化提供了依據.

關鍵詞：裝載機鏟斗；離散單元法；EDEM；正交模擬分析方法；鏟裝阻力；節能減耗

中圖分類號：TH243 文獻標志碼：A

0 引言

起重機作為現代化工業生產和起重運輸行業的重要工具和設備之一，在運輸行業得到廣泛應用[1]，而裝載機作為行車式裝卸起重機是大型的土方機械設備，它集鏟裝、運輸和卸載為一體，在建筑、工業和農業等方面發揮著舉足輕重的作用[2].裝載機鏟斗的鏟裝阻力即裝載機鏟斗在作業時，物料堆對鏟斗產生的阻力.采用鏟斗鏟掘方式作業時，鏟斗的阻力分為鏟斗切向阻力和鏟斗法向阻力[3].鏟裝阻力過大使裝載機的能耗過大，功率消耗過高，輪胎打滑，裝載時間過長，使得裝載機作業成本變高，作業效率變低[4].在鏟裝過程的不同階段，鏟斗各部分的受力情況不同，若將鏟斗作為一個整體進行受力分析，無法為后續的優化提供參考[5].為了給后期優化提供依據，結合逆向工程技術和離散單元法，運用離散元軟件EDEM，具體分析了鏟裝過程中鏟斗各個部分的受力；通過正交試驗模擬法，研究了對鏟裝阻力影響較大的因素對阻力峰值部位受力的影響，為以后節能減耗為目標的鏟斗設計、工作裝置動力的合理分配和鏟裝軌跡優化提供了依據.

1 鏟掘工況鏟裝模型的建立及驗證

離散單元法是一種研究復雜離散系統運動過程和載荷分布的新型數值方法，適用于模擬顆粒—結構相互作用的問題.采用離散單元法可以準確分析求解鏟斗—物料間的受力情況.其算法是把散體介質看成一個整體，再將其內部分為若干個單元，這些單元都是獨立的.然后根據力學和運動學的基本定律，在每一個時間步長內計算每一個單元的力和位移，不斷地計算和循環，直到運行到最后一個步長為止，最后得到鏟斗和物料的運動和受力情況[6].EDEM軟件是一款有強大的建模、仿真和后處理能力的離散元分析軟件.將鏟斗模型導入到EDEM軟件中，在EDEM中建立完整的鏟斗鏟裝模型，其后經過與實驗的對比驗證，即可使用建立的虛擬鏟裝模型進行鏟裝阻力分析.

1.1 鏟斗幾何模型的建立

經過適度的簡化和分塊處理，在UG中建立某裝載機鏟斗的三維模型，可分為斗底板、斗后壁（后擋板與斗后壁合并）、圓弧斗壁、左側壁、 右側壁等5個部分，其中斗寬為2 000 mm，圓弧半徑為290 mm.將這5個部分分塊導入EDEM軟件中，以便后續的受力分析.鏟斗分塊圖如圖1所示.

1.2 基于逆向工程技術的物料堆模型的建立

此款鏟斗為巖石斗，常用來鏟裝巖石物料，參考相關文獻中的數據，物料和鏟斗的材料屬性參數以及材料間的接觸屬性參數如表1和表2所示[7].實際作業中巖石按照粒徑（直徑）大小可分為大中小3種，在實際物料堆中選取一塊有代表性的巖石，其等效粒徑為250 mm.采用德國GOM公司的ATOS Compact Scan 2M三維光學掃描系統進行反求，經過數據的去噪、清理和簡化等步驟，獲得了巖石的點云圖，如圖2所示.通過對點云數據進行處理和曲面造型，獲得巖石完整的表面輪廓，然后在EDEM中使用正態填充法和均勻法相結合的累積填充方法填充此輪廓，從而建立了物料模型，如圖3所示，并以此建立了完整的物料堆模型.

1.3 鏟裝模型的驗證

通過自然安息角來驗證鏟裝模型的正確性，自然安息角即物料在堆放時能夠保持自然穩定狀態下的料堆與地面的最大角度.自然安息角是影響鏟裝阻力的重要因素，仿真模型中的物料堆安息角與實測的安息角越相近，則仿真模型就越精確.取鏟掘工況下的物料，進行多次無底圓筒安息角實驗，測得料堆的自然安息角在36°～40°之間；同樣地，在EDEM中進行多次虛擬安息角實驗，測得料堆的自然安息角在32°～35°之間，平均誤差12%.將仿真模型中的各參數在參考范圍內進行反復修正，平均誤差在5%以內，滿足了精度要求.通過仿真和試驗的對比，驗證并修正了仿真模型的正確性，為后續的分析提供了依據.

2 鏟掘工況下的鏟斗鏟裝阻力分析

裝載機將鏟掘工況時的實際鏟裝過程適當簡化，將其分為水平插入階段和鏟取階段：水平插入階段共12 s，鏟斗的速度為0.2 m/s；鏟取階段共2 s，鏟斗的角速度為0.15 rad/s.鏟裝過程中，物料對鏟斗的作用力如圖4所示.圖中F1是物料對鏟斗底刃的作用力，F2是物料對鏟斗底板下表面的作用力，F3是鏟斗底板所受的摩擦力，F4和F5分別是物料對鏟斗左右側刃的作用力， F6和F7分別是鏟斗左右側板所受的摩擦力， F8是鏟斗內物料的重力，F9是鏟斗前方物料對鏟斗內物料的作用力[8].由于散體物料運動的不確定性，做3次～4次仿真，采用一致性較好的數據進行分析.

2.1 水平插入階段的鏟裝阻力分析

在EDEM中得出鏟斗各個部位在水平插入階段的受力圖，為了便于分析，將這5組數據導入到Matlab中，如圖5所示.

2.1.1 斗底板受力分析 斗底板受力主要是F1，F2，F3，F8和F9.由于F3，F8整體不斷增加，F1和F9是波動的，斗底整體受力先增后減最后平穩，局部有波動.后期由于鏟裝物料量已經達到極限，F8已達最大且物料已趨于穩定狀態，受力逐漸平穩.

2.1.2 圓弧斗壁受力分析 圓弧斗壁受力主要是F8和F9.圓弧斗壁開始受力的時間比斗底板晚，這是因為前期圓弧斗壁與物料沒有接觸.隨著F8不斷增加，圓弧斗壁的受力不斷增加；中期在圓弧斗壁內的物料呈不穩定狀態，圓弧斗壁的受力是波動的；后期由于圓弧斗壁內的物料趨于穩定狀態，受力基本穩定.

2.1.3 左側壁受力分析 左側壁的受力主要是F4和F6.前期由于鏟斗底板在前推開物料，左側板幾乎不受力；隨著接觸物料不斷增多，F6不斷增大，鏟斗開始不斷擠壓物料堆，F4也不斷增大，物料堆中出現密實核，需要不斷破壞密實核向前運動，阻力不斷增大.中期鏟斗受力有降低趨勢，這是因為前一階段擠壓物料形成的密實核不斷被破壞，F4不斷減小，密實核被破壞后，F4不再一直減小，由于繼續擠壓物料而呈波動趨勢，隨著F6的增大，受力在一直波動，后期鏟斗繼續擠壓物料，再次經歷了密實核的形成、破壞和繼續擠壓物料過程，受力先增后降再增加.

2.1.4 右側壁受力分析 右側壁受力主要是F5和F7.可以看出，右側壁受力趨勢和左側板基本相同，這和理論分析相符合，再次印證了仿真的正確性.

2.1.5 斗后壁受力分析 斗后壁受力主要是F9，因此斗后壁開始受力的時間最晚.斗后壁的受力隨著接觸物料的增多而急劇增加.

2.2 鏟取階段的鏟裝阻力分析

同樣地，在Matlab中繪制出鏟斗各個部位在鏟取階段各部分的受力圖，如圖6所示.

2.2.1 斗底板受力分析 由于鏟斗向上翻轉，斗底板所受的F1，F2，F3都大大減小，F8先前由斗底板承擔主要部分，此階段逐步向圓弧斗壁轉移，因此，此階段斗底板受力呈下降趨勢.

2.2.2 圓弧斗壁受力分析 由于鏟斗的翻轉，圓弧斗壁此階段主要的受力為F8.因此，圓弧斗壁受力趨于穩定.

2.2.3 左側板受力分析 左側板主要受力為F4和F6，在此階段，由于鏟斗的翻轉，F4下降.鏟取中后期，達到了一定的翻轉角度之后，對鏟斗有作用力的物料堆范圍逐漸減小，因此鏟斗對左側刃的作用力明顯下降.

2.2.4 右側板受力分析 左側板和右側板的受力趨勢基本相同，只是由于物料堆運動的不穩定性，兩側受力略有不同，再次印證了仿真的準確性.

2.2.5 斗后壁受力分析 F8主要往圓弧斗壁轉移，因此階段斗后壁受力較小.

2.3 小結

從受力圖上看，斗底板的受力是最大的.由于鏟斗各部分面積不同，使用等效峰值來反映每部分的受力程度[9].等效峰值即受力峰值除以面積系數，面積系數即為面積值，=.鏟斗各部分等效峰值如表3所示.

由表3可見，在整個階段，斗底板的受力都是最大的， 等效峰值為75 736 N；而斗后壁和圓弧斗壁的受力峰值較小，受力峰值均出現在水平插入階段.

3 鏟斗鏟裝阻力的正交模擬分析

前面的分析得出：在鏟裝過程中，斗底板的等效峰值最大，而且出現在水平插入階段.對水平插入階段幾個重要因素對斗底板等效受力峰值的影響進行研究，為設計節能高效的斗形、合理安排工作裝置動力分配和優化鏟裝軌跡提供依據.

3.1 正交試驗方案的設計

通過對影響鏟裝阻力的因素進行的文獻調研得出：鏟裝阻力受物料形狀、斗寬、粒徑大小、插入速度這4個因素影響較大，故選取A（顆粒形狀），B（斗寬），C（插入速度），D（粒徑）這些因素進行四因素三水平正交試驗分析.顆粒形狀選擇三角錐形、長橢圓形和四方塊形；結合實際工況和相關文獻中的數據，確定了粒徑的3個水平[10]；斗寬和插入速度的選擇則由實際工況確定.試驗方案如表4所示.

3.2 正交試驗結果分析

依照表4的試驗方案，進行9組鏟裝過程模擬，每組做3次～4次仿真，然后采用一致性較好的數據進行分析.整理試驗結果如表5所示.根據k值做出因素與指標間的效應曲線，如圖7所示.

可得出如下結論：1）各因素對斗底板的影響按從大到小次序是D>B>C>A；斗底板受力最小的組合是D1B3C1A2，即：D1——等效粒徑，第1水平，100 mm；B3——斗寬，第3水平，2 500 mm；C1——插入速度，第1水平，0.2 m/s；A2——顆粒形狀，第2水平， 三角錐型；2）采用小粒徑的物料時，鏟斗底板的等效受力峰值最低；采用中等粒徑和大物料時峰值明顯升高，但二者峰值相近，由此得出：粒徑水平達到中等以上時，粒徑大小可能已經不明顯影響斗底板等效受力峰值；3）三角錐型物料情況下，斗底板等效受力峰值最小；長橢圓形物料情況下，峰值最大；而三角錐形的物料最容易穩定，長橢圓形的物料最不穩定，得出鏟裝阻力峰值可能與物料形狀的穩定性有關；4）在0.2 m/s～0.4 m/s范圍內，斗底板等效受力峰值與插入速度成正相關，且速度越大，峰值增大越明顯；5）斗底板等效受力峰值與斗寬成反比.

4 結論

結合逆向工程技術和離散單元法，建立和驗證了虛擬鏟裝模型，并在此基礎上進行了仿真，對整個鏟裝過程中鏟斗不同部位的鏟裝阻力變化趨勢進行了詳細的分析.得知，在鏟裝過程中鏟斗最大的部位是斗底板，出現在水平插入階段；通過正交試驗分析可知，在一定的范圍內，影響斗底板等效受力峰值的因素從大到小依次是等效粒徑、斗寬、插入速度、顆粒形狀；粒徑越小、插入速度越小、物料形狀越穩定、斗寬越大，則斗底板受力峰值越小.分析結果為針對不同鏟裝對象的鏟斗設計、工作裝置動力的合理分配和鏟裝軌跡優化提供了依據.

參考文獻

[1] 王虎奇， 陸洋， 黃榮星. 橋式起重機主梁的結構優化[J]. 廣西工學院學報， 2013， 24（3）：43-48.

[2] 秦宇，蔡敢為，鄭戰光，等.輪式裝載機行駛中振動對物料完整性的影響[J].機械設計與制造，2009（5）：211-213.

[3] 李志杰， 溫全明， 石光林. 基于Workbench液壓挖掘機動臂的有限元分析[J]. 廣西科技大學學報， 2012， 23（3）：32-35.

[4] BLOUIN S， HEMAMI A， LIPSETT M. Review of resistive force models for earthmoving processes[J].Journal of Aerospace Engineering，2001，14（3）：102-111.

[5] 蔣紹軍，陳羽，杜杏，等.裝載機鏟斗斗形設計小議[J].工程機械，2012，43（11）： 12-16.

[6] 王國強，郝萬軍，王繼新，等.離散單元法及其在EDEM上的實踐[M].西安：西北工業大學出版社，2010.

[7] 肖錫洲.基于EDEM的裝載過程仿真研究[D].贛州：江西理工大學，2013.

[8] 王得勝，周愛平.礦用裝載機裝載阻力的計算方法研究[J].河南理工大學學報（自然科學版）， 2007，26（3）： 295-301.

[9] 王瑤.基于離散元方法的平地機鏟刀工作性能研究[D].長春：吉林大學，2015.

[10] 陳燁，李愛峰，李光，等.大型液壓挖掘機斗桿挖掘阻力的離散元素法研究[J].機電工程，2015，32（6）：798-802.

Study on working resistance of loader bucket using

discrete element method

LI Ru， XU Wu-bing，LI Bing*， YANG Xu

（School of Mechanical Engineering， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545000， China）

Abstract ：In order to study the effects of different factors on the loader bucket loading resistance，a 3D model of the bucket is established in UG software， and the point cloud data of material is obtained by ATOS Compact Scan 2M system. Through data processing and simulation parameters settings， the model of loading process simulation is established in EDEM， and the accuracy of the model is verified by experimental method and simulation results. Next， the simulation is carried out and the resistance of each part of the bucket in the whole process is analyzed， the part and status in which peak value of equivalent resistance is largest are found； then four factors which influence the shovel resistance more than other are selected， the orthogonal simulation analysis method and range-method are used to analyze the influence on the peak value of equivalent resistance. And we obtain that the influencing factors ranging from big to small are the particle size， the bucket width， the insertion speed， the particle shape，which gives references to the design of new bucket and optimization of the shovel loading trajectory aimed at fuel-efficiency.

Key words： loader bucket； discrete element method； EDEM； orthogonal simulation method； loading resistance； fuel-efficiency

（學科編輯：黎 婭）