裝載機鏟斗參數優化設計及應用

范丹丹，徐武彬，李 冰，劉萬鋒

(廣西科技大學機械工程學院，廣西 柳州 545006)

1 引言

裝載機作為典型的土方類機械設備，在工農業和建筑業中發揮著重要的作用。隨著裝載機發展的需要，自動化、力學優化和工作效率問題儼然已成為提升裝載機性能及整體設計水平的重要研究課題，而裝載機的鏟斗是其重要的工作部件[1]，且合理的鏟斗形狀有利于減少鏟裝阻力，提高整機的工作效率與生產能力[2]，而傳統的基于經驗值的鏟斗設計方法已不能滿足現代設計的要求，因而對裝載機鏟斗進行優化設計有著重要的意義。

為設計出合理的鏟斗斗型，實現作業過程的高效節能，需要對鏟裝作業過程和鏟斗尺寸結構進行系統的研究。目前對裝載機工作過程的力學分析及工作軌跡的研究大都忽略或者簡化了物料的相互作用及物料對鏟斗的作用，而基于密實核理論以經驗公式為基礎進行研究[3]，從1973年至今，已提出50多種經驗模型，但效果都不太理想[4]；近期的研究主要集中于通過試驗的方法確定鏟裝阻力的變化規律[5]，但其受鏟裝對象、試驗環境、試驗方法和次數的影響，重復性、變量控制等問題難以保證。在鏟斗結構優化方面，目前的研究主要集中在提高鏟斗使用壽命和工作過程中鏟斗的平移性，對鏟斗幾何形狀及截面參數的研究較少。最早以“回轉半徑法”進行鏟斗斗型設計[6]，以回轉半徑為設計參數，用相關系數確定鏟斗幾何形狀；而后文獻[7]表明回轉半徑不是獨立的設計參數，其受鏟斗其他結構參數影響；文獻[8]對鏟斗各參數進行對比研究，從而優化參數組合進行鏟斗設計。這些方法雖然減少了經驗系數的使用，但卻僅給出了一個設計的基本原則，理論與實踐基礎不夠充足。從現有鏟斗幾何形狀來看，并無統一的模式與標準，且國內外都在探討鏟斗的合理斗形，但研究結果差別很大。因此有必要做進一步探討，以確定鏟斗最佳斗形及其研究方法。

采用試驗的方法獲取裝載機典型作業對象(碎石)的特性參數，并基于離散元素法，從散體力學的角度對鏟裝作業過程進行分析，修正鏟斗的相關結構參數，為鏟斗設計提供一種四參數設計參考模型。將此模型應用到某企業產品中，根據四參數鏟斗設計原則研究不同截面幾何參數的鏟斗在相同條件下的插入阻力和滿斗率，并通過能量法對不同鏟斗進行能量分析，得到滿斗率盡可能高且最節能的鏟斗，為裝載機節能型鏟斗設計提供可靠地依據。

2 鏟斗性能評價指標

從裝載機的實際使用情況出發，鏟裝物料工況是裝載機作業中最主要的工序，該典型工作循環主要通過插入、轉斗和提升完成，能量消耗占裝載機整體能耗的比重最大。例如，5t輪式裝載機的油耗達到每小時約30L，而在鏟裝作業過程中消耗的能量約占整體的四分之三。鏟裝過程的能耗主要是由于物料對鏟斗的阻力，因而分析裝載機鏟裝作業過程的力學特性，研究其力學優化問題，實現減阻插入是減小鏟裝能耗和提高作業效率最直接的方法。

目前鏟斗設計與優化皆以鏟斗斗容與插入阻力為評價指標，而插入阻力是由多方面因素綜合作用的結果[9]，僅反映某一插入深度的情況。因此，僅以插入阻力作為評價指標不能具體反應整個鏟裝過程的特點，需用其他條件相同而僅斗形參數不同時的整個鏟裝過程的插入阻力來衡量。另外，阻力在插入過程中的不同階段是完全不相同的，插入阻力并未直接地、完全地反映斗形參數優劣的本質區別。因此通過研究不同截面幾何參數的鏟斗在相同條件下的插入阻力和滿斗率，并通過能量法對不同鏟斗進行能量分析，以滿斗率盡可能高和節能為鏟斗性能評價指標確定最佳斗形。

3 鏟裝作業過程分析

為研究鏟斗截面參數對插入阻力及滿斗率的影響，確定最佳的截面參數，需建立起鏟裝過程分析模型，主要包括鏟斗模型和物料料堆模型，并通過模擬鏟斗實際鏟裝軌跡，分析其鏟裝阻力情況。

3.1 鏟斗模型的建立

采用四參數法[10]設定鏟斗的相關截面系數，其中斗張角E0為斗底和斗后壁的夾角；底弧比D=L/R即斗底長度L與圓弧半徑R之比；側刃傾角E1為側切削刃相對斗底的傾角；擋板高度系數G=M/R即擋板高度M與鏟斗圓弧半徑R之比，如圖1所示。

圖1 鏟斗主要基本參數Fig.1 Main Basic Parameters of the Bucket

根據國內外論文及裝載機的樣本和圖紙[7]統計得到5噸裝載機鏟斗四個參數的大致范圍為G=0.30-0.35，E0=380-450，D=1.2-1.8，E1=500-600。為探究幾何形狀對鏟斗鏟裝阻力和滿斗率的影響，參考上述國內外多型號裝載機統計資料設計了九個不同形狀鏟斗進行仿真分析。具體參數如表1(其中斗底角全部為00，斗寬為2.9m，經計算和標定得平裝斗容為3.3m3及截面面積為1.13m2)。采用上述鏟斗模擬尺寸，在Pro/E中建立鏟斗模型，如圖2所示。

表1 鏟斗參數正交表Tab.1 Bucket Parameter Orthogonal Table

圖2 部分鏟斗模型Fig.2 Partial Bucket Model

3.2 物料料堆模型建立

為建立起更準確的料堆模型，采用實驗與仿真結合的手段對料堆模型進行修正和驗證，實驗中的碎石物料采用容重r=1.56g/cm3，含水量0.3%的碎石，粒度為(40×40)mm，料堆高度固定在0.5m，堆積角度為其自然安息角。

借助HandySCAN700三維激光掃描儀采用逆向工程原理獲取碎石表面特征，填充后形成物料顆粒。為精確獲取作業阻力，需要綜合考慮物料顆粒間的相互作用、物料與機械零部件間的相互作用等關系，故采用Herz-Mindlin(No-Slip)接觸力學模型建立顆粒間接觸模型，從而求取碎石顆粒間的接觸力，該模型適用于散體顆粒間力學計算且計算效率高。

為建立更精準的物料特性參數，設計了滾動摩擦系數測定裝置、靜摩擦系數測定裝置等相關裝置，實驗裝置，如圖3所示。碰撞恢復系數測試試驗，如圖3(a)所示。靜摩擦系數測試實驗，如圖3(b)所示。滾動摩擦系數測試試驗，如圖3(c)所示。

圖3 物料接觸特性測試實驗Fig.3 Material Contact Characteristics Test

經實驗測定材料屬性與材料接觸屬性，如表2所示。建立的料堆模型與相關仿真和試驗對比表明了模型的準確性[11]。

表2 材料屬性表與材料接觸屬性Tab.2 Material Property Sheet and Material Contact Properties

實驗與仿真數據對比：仿真模型自然安息角為35.08°，試驗測得安息角數值為35.8°，仿真模型安息角略小于實驗安息角，是由于仿真物料尺寸是在實驗物料基礎上做了相應簡化，對此已經采用了物料顆粒級配的手段進行修正，結果已達到了更好的一致性。

3.3 鏟斗運動路徑

為提高仿真模型的準確性，采用實機在某企業試驗場進行鏟裝試驗。在鏟斗鉸點處安裝銷軸傳感器，并通過屏蔽線將其與智能數據采集分析系統連接，在裝載機后安裝位移傳感器，并通過鋼繩與之相連以測定鏟斗運動，實時測定鏟裝過程中的速度和加速度，為仿真參數及運動軌跡提供依據。

根據現場實驗數據擬合得出裝載機鏟斗典型鏟裝作業時的運動軌跡，將通用格式的鏟斗CAD模型導入EDEM中，模擬鏟裝作業時的運動軌跡，實現鏟斗插入、轉斗與崛起過程，通過后處理模塊分析鏟斗所有網格受力情況。

3.4 實驗及仿真結果分析

現場實驗數據與仿真插入阻力對比，仿真插入阻力較實驗阻力偏大，但多次仿真與實驗對比，仿真曲線皆接近實驗曲線。分析結果主要由于實驗料堆中碎石形狀及尺寸分布復雜，仿真所建料堆模型中不同碎石形狀比例無法跟實驗料堆完全一致，即仿真在一定程度上進行了簡化處理。通過多次修正模型使仿真曲線更接近實驗，仿真精度已提高30%，實驗與仿真偏差已在允許誤差范圍內。同時，對滿斗率進行測試，其仿真數據與實驗數據也非常接近，可采用該仿真模型進行鏟斗設計。

4 插入阻力與滿斗率的統計分析

4.1 插入阻力結果分析

對已設計的9款鏟斗進行研究分析可得其插入階段所受插入阻力隨插入深度的增加而不斷增加，符合生產實踐中水平插入阻力變化。鏟斗插入料堆初期，水平插入阻力開始增長較平緩，沒有出現大的波動。插入一定深度時，由于插入過程中密實核不斷產生又被不斷破壞，導致插入阻力明顯增長且波動也越來越明顯，最后達到最大值。由于鏟斗設計是根據現有鏟斗參數范圍設定，9款鏟裝插入阻力比較接近，且阻力曲線不是平滑曲線，無法直觀的得到鏟斗的優劣。

為更明顯的區分鏟斗鏟裝優劣，采用能量法進行對比分析，即對插入阻力在時間t上進行積分，得到的平滑曲線，橫軸表示插入時間，縱軸表示對應能量，如圖4所示。

圖4 插入阻力對時間積分曲線Fig.4 Insertion Resistance Versus Time Integral Curve

由圖4可以看出積分后曲線變得平滑，沒有明顯的跳動，但由于密實核的存在而導致插入阻力的波動，同樣也使插入過程中能量的變化存在明顯的波動。由于圖4過于密集，不便于分析，將區分度明顯的(2～3)s階段截成三段，并進行分段放大得到圖5積分曲線放大圖，(2～2.2)s、(2.2～2.5)s、(2.5～3.0)s三段各鏟斗能量對比情況，橫軸表示插入時間，縱軸表示對應能量，如圖5所示。由圖5及積分數據可以看出C1曲線平滑無波折，不僅較其他曲線平緩，且在鏟裝過程中所做的功最小，即鏟裝過程中所需要消耗的能量最少，即耗油量相對最少。

圖5 積分曲線放大圖Fig.5 Enlarged View of the Integral Curve

4.2 鏟斗滿斗率結果分析

為獲得更可靠的結果數據，選取大的時間步長使得粒子在每次模擬中可取不同的流動路徑，載荷重量的測定，如圖6所示。相同鏟斗和料堆鏟裝結果也有差異。因此，每個鏟斗仿真5次取平均值，如表3所示，表中單位均為kg。由表3可得C3，C5，C6，C7滿斗率明顯小于其他鏟斗，C1，C2鏟斗滿斗率較高。C2鏟斗雖然滿斗率最高，但是作業阻力明顯比C1鏟斗要高。綜合考慮，C1鏟斗最佳即C1鏟斗截面參數最佳，最優截面參數為：E0=400，D=1.3，E1=520，G=0.31。

圖6 鏟裝物料質量顯示Fig.6 Shovel Material Quality Display

表3 仿真鏟裝物料質量統計表Tab.3 Simulation of Shovel Material Quality Statistics

5 結論

基于離散元素法，從散體力學的角度對鏟裝過程進行分析，可得到以下結論：(1)鏟裝過程的能耗主要是由于物料對鏟斗的阻力，而物料對鏟斗的阻力是個復雜變化的過程，因而分析裝載機鏟裝作業過程的力學特性，研究其力學優化問題，實現減阻插入是減小鏟裝能耗和提高作業效率最直接的方法。

(2)為研究鏟斗截面參數對插入阻力及滿斗率的影響，確定最佳的截面參數，基于離散元法建立起了鏟裝過程分析模型，為鏟裝過程分析提供參考方法。(3)根據四參數鏟斗設計原則研究不同截面幾何參數的鏟斗在相同鏟裝條件下的插入阻力和滿斗率，通過能量法對不同鏟斗進行能量分析，得到滿斗率盡可能高且最節能的鏟斗，對所設計的9款鏟斗進行評估，得到了一款最優鏟斗，最 優 截 面 參 數 為：E0=400，D=1.3，E1=520，G=0.31，截 面 積S=1.14m2。為裝載機節能型鏟斗設計提供可靠地依據。