裝載機鏟斗設計參數對作業阻力的影響研究

姬國強，高尚晗，徐武彬，李 冰

（廣西科技大學機械工程學院，廣西 柳州545006）

0 引言

鏟斗作為裝載機工作裝置的主要工作部件，且與物料直接接處，作業環境復雜多變，承受著很大沖擊力和劇烈磨損，結構參數直接影響了裝載機的鏟裝性能。對裝載機鏟斗的研究一直以來都受到廣大研究者的關注，劉述學等[1]基于試驗的方法對裝載機鏟斗截面的合理形狀進行了研究，對鏟斗截面形狀主要參數的取值范圍進一步精確，并得出了鏟斗插入阻力與插入深度之間的函數關系；鐘麗萍[2]基于有限元分析對裝載機鏟斗進行了結構優化，鏟斗在滿足性能和強度要求的前提下實現了輕量化；李星[3]針對整個裝載機工作裝置進行多學科協同優化，改進裝載機工作裝置主要工作性能；李星、陳亞洲等[4]提出了在滿足鏟斗斗容設計允許誤差的前提下選取裝載機掘起力最大的點來確定對應的鏟斗截面幾何形狀參數；王慈[5]采用計算機優化設計計算裝載機鏟斗截面，實現快速正確設計鏟斗；陳羽等[6]針對裝載機鏟裝碎石工況，通過安裝不同數量的斗齒，對比鏟斗鏟裝過程中作業阻力、最大插入深度和鏟斗滿斗率，分析了斗齒數量對鏟裝性能的影響；李鎮[7]以卸載高度、掘起力及視野角度等確定約束條件，對裝載機鏟斗的回轉半徑等幾何參數進行了優化，使得裝載機鏟斗的性能提高；黃鵬鵬，廖曉濤[8，9]建立了一種鏟斗裝載物料過程的數學模型，求解出在鏟斗插入深度與鏟斗空斗體積之間的數學關系，為裝載機鏟斗的設計提供了一種新參考。但現階段對鏟斗的研究仍未明確指出參數對鏟斗性能的影響程度，或者討論的過于片面，且前期受研究方法的限制多采用實驗的方法研究，這使得研究成本過高。

本文針對上述問題，運用離散單元法與2k因子分析法相結合，對鏟斗橫截面四參數對鏟斗性能的影響程度進行了研究分析，得出斗張角E0、底弧比D和側刃傾角E1是影響裝載機鏟裝作業阻力的主要幾何參數，其中底弧比D影響最大，側刃傾角E1及斗張角E0次之，擋板高度系數G影響最小。

1 鏟斗橫截面模型的設計參數

常見裝載機鏟斗橫截面模型一般分為兩種[10]。一種稱為“回轉半徑模型”，以鏟斗回轉半徑R0為基本參數，其他鏟斗斗形參數為R0乘以一個系數，但使用該方法進行鏟斗截面設計時存在諸多問題：①RR0并非決定鏟斗形狀的基本參數，只是設計主要尺寸；②設計參數太多不利于分析回轉半徑對幾何形狀的影響，同時進行試驗研究也很吃力；③很多實例都表明，通過該模型設計的鏟斗參數易產生矛盾，必須進行繁瑣的驗證來進行修正。另一種稱為“基本四參數模型”（如圖1所示），其中斗張角為E0、底弧比為D=L/R、側刃傾角為E1、擋板高度系數為G=M/R，該模型用參數之間的壁紙來描述鏟斗形狀，相比“回轉半徑模型”的鏟斗斗形參數，減少了經驗系數的使用，便于研究和分析鏟斗參數對其工作阻力的影響。本文針對“基本四參數模型”進行了相關研究。

圖1 四參數鏟斗模型

2 析因方案設計與作業阻力獲取

析因方案的設計，本文選用2K因子分析法設計研究方案[11-14]，因為“基本四參數模型”包含四個主要參數：斗張角E0（A），底弧比D（B），側刃傾角E1（C），擋板高度系數G（D），其取值范圍參考文獻[1]的結論用上邊界和下邊界表示。每個因子取2個水平，用“+”和“-”符號表示因子水平的高與低，1，a，b，c，d，ab，ac，…，abcd代表24個組合，綜合考慮四個主要參數對鏟斗作業阻力的影響。

本文采用離散單元法建立顆粒物料的Hertz-Mindlin接觸模型（如圖2所示），進而建立物料顆粒工廠，此模型中，法向力Fn是法向重疊量δn的函數，即

其中，E*為當量楊氏模量，R*為當量半徑，分別定義為：

式中：Ei、vi、Ri和 Ej、vj、Rj分別是楊氏模量、泊松比和接觸球體的半徑。

式中：e為恢復系數。

切向力Ft取決于切向重疊量δt和切向剛度St，

式中：G*是當量剪切模量。

切向阻尼表達式為，

式中，vt→rel是相對速度的切向分量。

圖2 Hertz-Mindlin接觸模型

離散單元法最早是由Cundal博士于1971年提出，經過多年發展，現已廣泛應用于多個行業，本文所需的相關參數如表1，該數據參考課題組已獲取成果[15，16]。鏟斗的運動參數[17]只取水平插入階段的勻速運動，速度取經驗值641 mm/s，最終獲取鏟斗的作業阻力。

表1 相關基本參數

2k因子分析的參數水平如表2所示，其中第1行所選獨立因素為高水平即參數取值范圍的上邊界，第2行所選獨立因素為低水平即參數取值范圍的下邊界。本文綜合考慮安排了16個觀測計劃來評估這些因素的影響，如表3所示。第2列至第5列的“+”和“-”表示在一個標準的因子順序 A，B，C，D高、低級別的不同組合，其后列出了各因子的相應值。第6列是標準秩序的觀測向量。

表2 因素水平表

表3 方案設計表

3 結果與分析

作業阻力作為裝載機的一個重要性能指標，鏟斗為其直接與物料接觸的對象，鏟斗各參數都會對作業阻力產生影響，本文以碎石物料工況下鏟斗插入階段最大作業阻力為對比值，進行2k因子設計分析，參數變化對作業阻力的影響如表4所示，影響的正態概率分布如圖3所示。

表4 對作業阻力的影響

圖3 標準概率關系曲線圖對作業阻力的影響

從正態概率分布的含義可知，在效應因素的正態概率分布圖中，與直線擬合不佳離擬合線更遠的點通常表示顯著效應，而非顯著效應值很小通常集中在零附近。從表4和圖3可看出，因子B對鏟斗作業阻力的影響最重要。因子B即鏟斗四參數中的底弧比參數，其對作業阻力的影響是消極的，表示因子B的值增加，作業阻力將會降低，如圖4所示，圖示橫坐標為底弧比，縱坐標為鏟斗插入工況下的最大作業阻力，7個樣斗的作業阻力都隨底弧比的增加而降低，基本驗證了上面給出的結論。因子A即鏟斗四參數中的斗張角參數，如圖5所示8個樣斗的作業阻力變化情況，隨著因子A的增加作業阻力在變化趨勢有升有降，不能明確斗張角變化對作業阻力的影響情況。

圖4 底弧比不同時作業阻力變化情況

圖5 斗張角不同時作業阻力變化情況

4 總結

本文運用離散單元法獲取典型工況下裝載機鏟斗的插入阻力，采用2k因子分析方法來研究鏟斗橫截面四參數不同對作業阻力的影響。研究結果表明，斗張角E0、底弧比D和側刃傾角E1是影響裝載機鏟裝作業阻力的主要幾何參數，其中底弧比D影響最大且隨底弧比的增加作業阻力隨之降低，但在底弧比值達到1.7之后作業阻力趨于一個穩定的范圍，側刃傾角E1及斗張角E0次之，擋板高度系數G影響最小。這為裝載機鏟斗的設計提供了一定了理論基礎。